列管式换热器
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竖直U型地热换热器流体出口温度的计算模型点击：1732 日期：[ 2014-04-26 22:21:21 ] |
| 竖直U型地热换热器流体出口温度的计算模型 张虹 沈国民 谢军龙 （华中科技大学 430074） 【摘 要】 以圆柱热源理论为基础，引入“近热史”和“远热史”的概念，采用简化的方法建立了变热流情况下换热器与周围土壤的传热计算模型，利用该模型在已知远地点温度 Tg的情况下可求解出钻孔壁温度 Tw。随后引入形状因素的概念，建立了管内稳定传热的计算模型，结合前述求得的 Tw，得出了计算换热器内循环流体的出口温度 Tout的方法。 【关键词】 地源热泵；U 型埋管；出口温度；近热史；远热史 0 引言 土壤源热泵（GCHP）是以地下土壤为低位热源的热泵系统，存在多种形式，根据埋管敷设的方式不同，可分为竖直埋管和水平埋管。其中水平埋管有蛇形管、平铺 U 型管等多种形式；竖直埋管有 U 型管、双 U 型管、套管、螺旋管、多浅井埋管等形式[1]。竖直 U 型管地热换热器是一个钻孔内布置一个 U 型管，再加上回填材料，于周围土壤构成一个整体，如图1所示。 地下埋管换热器的传热模型的研究一直是地源热泵空调系统的技术难点，要在传热模型的基础上进行相关的模拟仿真相对比较复杂，主要有两个原因：第一，地热传导是一个相对复杂的瞬时现象，需要大量的计算资料来解决地热换热器的“热史”问题，有关“热史”的概念我们会在下文中提及；第二，热泵的运行与地热传导是相互耦合的，换句话说就是热泵向循环流体所释放（或从循环流体吸收）的能量取决于地热换热器的运行状况，反过来地热换热器的运行状况又依赖于热泵吸收或释放的能量。 本文介绍了一种相对简单的方法来计算地热换热器循环流体的出口温度 Tout，文中提出的方法应用了圆柱热源理论来预测竖直 U 型埋管地热换热器从钻孔壁到周围土壤的瞬时热传导。通常认为从循环流体到钻孔壁的热传导是稳态的，我们用外形因素的概念来描述传热热阻。 1 竖直 U 型地热换热器的瞬时传热 1.1 恒热流时的传热 在此以图 1 所示的一个简单的地下钻孔为例来介绍恒热流时的传热情况。该钻孔以恒定的热流量q从远边界温度为 Tg的周围土壤中吸收或排放热量。我们的目的是计算 Tg和钻孔壁温度 Tw之间的温度差△Tg的值。Ingersol等在Carslaw和Jaeger的基础上提出了无限同种介质中圆柱热源瞬时传热的计算式： 3 结语 （1）在热流量恒定时，利用经验 G 函数的计算式，采用插值方法可以算出 G 函数值，再结合无限大同种介质中的圆柱热源理论，可得定热流情况下埋管与周围土壤之间的得传热模型。 （2）在热流量随时间变化时，前面时间间隔内的热流量对当前时间间隔有一定影响，必须予以考虑，故引入了“近热史”与“远热史”的概念，将“远热史”时间间隔内的热流量对当前时间间隔的影响合并为简单的一项，“近热史”各时间间隔内的热流量对当前时间间隔的影响逐项进行计算，采用这种简化的方法建立了热流变化情况下换热器与周围土壤之间的传热模型。 （3）钻孔内的传热被视为稳态传热，引入了形状因素的概念，建立了钻孔内的稳态传热模型。 （4）结合钻孔内外的传热模型，可得求解换热器内循环流体出口温度的计算模型。 参考文献 [1] Bernier，Michel A. Ground-Coupled Heat Pump SystemSimulation［J］. ASHRAE Trans，2001，107(1)：605-616 [2] 程群英，罗明智，孙纯武，等. 地源热泵夏季性能测试及传热模型［J］. 暖通空调，2005，35(3)：2-6 [3] 柳晓雷，王德林，方肇洪. 垂直埋管地热换热器的传热模型与计算［J］. 建筑热能通风空调，2001，2：1-3 [4] 余延顺，马最良.土壤耦合热泵系统地下埋管换热器传热模型的研究［J］. 暖通空调，2005，35(1)：26-31 |
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