新闻动态
U型管埋地换热器三维传热模型及实验对比分析点击：1854 日期：[ 2014-04-26 22:21:40 ] |
| U型管埋地换热器三维传热模型及实验对比分析 赵 军 张春雷 李新国 余乐渊 宋德坤 (天津大学机械工程学院热能工程系，天津300072) 摘要：针对u型管埋地换热器的传热特点，考虑了两管脚之间的相互影响，建立起非稳态传热模型。采用数值解法对该理论模型进行了求解，并将结果与实验值进行了对比分析，发现两者变化趋势一致，但理论计算结果比实验测试值低，其中的一个重要原因是因为换热器与土壤问的热交换不是纯导热过程，还应该进一步考虑土壤中热湿迁移等因素的影响。 关键词：地源热泵；U型管埋地换热器；管脚；数值解法 中图分类号：qN52 文献标识码：A 0 前言 埋地换热器的传热问题是地源热泵系统研究中的核心问题之一。本文研究的u型管理地换热器与周围土壤的传热问题是一个三维非稳态传热问题，该传热问题无论是解析解还是数值解都比较复杂。为了简化求解过程，本文引入微元分析的思想对u型埋地管内一微元液体的换热过程进行描述，分析求解其传热问题，再把每一微元段的传热、流动进行累加，便可以得到u型管埋地换热器与周边土壤的传热情况。 1 三维瞬态传热的简化与模型建立 为了便于模型的求解，结合实际传热过程，对u型埋管的传热作如下假设： 1)u型埋管内液体的流速均匀一致(忽略重力项对流速的影响)； 2)u型埋管内液体仅在径向方向上发生热量传递，在轴向(深度)方向上发生的热量传递忽略不计； 3)土壤的初始温度在径向上是均匀一致的，仅沿轴向(深度)方向上发生变化； 4)土壤的导热系数、孔隙率、比热、密度等物性参数在同一水平面上是均匀一致的，仅沿轴向(深度)方向上发生变化； 5)u型埋管与钻孔内回填物之间、回填物与土壤之间接触紧密，不存在接触热阻。 本文以u型埋管内微元流体为研究对象。在t时刻，微元体首先通过管壁在垂直于u型管的平面上(即水平面上)与钻孔回填物进行换热，然后回填物与土壤进行换热；在t+△ 时刻，管内微元流体到达下一水平面重复上述传热过程。 在上述传热过程和简化假设基础上，因为u型埋管的直径远小于埋管长度，故本文将u型埋管在土壤中的三维瞬态传热分解为沿深度(z方向)方向上的一维传热与沿水平面上的二维传热问题相关联的问题u J。 2 U型埋管非稳态传热的数学模型及求解 2．1 深度方向上的一维传热 根据能量平衡，在z方向上的传热可以得到如下方程 J： 3 传热计算结果及分析 结合天津市某办公楼的地源热泵系统工程实例中埋管换热器的设计情况，对埋地换热器进行了夏季工况下的计算。 3．1 换热器周围土壤温度场的讨论 图3反映了桩埋换热器在深度为16m处土壤的温度随时问的变化趋势。在刚运行的前15d，距离埋地换热器越近的地方温度升高越快。15d以后，土壤温度升高趋势减缓，说明此时埋地换热器已趋于稳定。同时，在距埋地换热器径向1．5m处的土壤，在计算之初的温度值为17．37℃ ，第60d为18．O1℃ ，温升幅度为3．68％。可以认为，经过一个夏季的运行，换热器的热作用半径为1．5m。 3．2 埋地换热器设计参数的讨论 3．2．1 不同循环流量的讨论 循环流量对u型埋管的换热能力的影响见图4、5，其中图4是理论计算值，图5为实验值。当埋地换热器内水流量较小时，随着流量的增加，埋地换热器的换热量先是增加幅度较大，接着增幅逐渐平缓，因为在其他条件不变的情况下，增加循环流量时，埋地换热器的进出口温差减小，而导致换热性能增幅不明显。从热泵系统优化运行的角度，地下换热器的循环水量应该控制在一个合适的范围。 3．2．2 不同管间距的讨论 u型埋管由于其结构的特殊性，埋管的管脚间距对埋地换热器的换热量有影响。图6反映了桩埋换热器在深度为16m处土壤温度随管脚间距的变化。在其他条件不变的情况下，适当增加管间距有利于增加埋地换热器的换热量，但是增加管间距一方面会增加初投资费用(钻孔直径增加会导致钻孔费用上升，回填材料费用增加)，另一方面，当管间距大于一定值之后再增加管间距也不会增加埋地换热器的换热量。管间距过小导致换热量降低的原因在于：当埋管管问距过小，两个管之间会出现相互换热的情况，导致换热器换热性能降低，在数值计算过程中，当管脚间距满足d >7dPipe时，U型埋管的管脚间不会相互换热。 4 结 论 本文通过建立u型地下埋管的非稳态传热模型，求解得到了该问题的数值解，并与实验值进行了对比，得出以下结论： 1)采用深度方向上的一维传热和水平面上的二维传热可较好的描述u型埋管三维非稳态传热； 2)本文所采用的简化传热模型所得的埋地换热器理论计算结果与实验结果变化规律一致； 3)采用本文的传热模型计算所得的结果普遍比实验测试值低，说明换热器与土壤的传热过程不是单纯的导热问题，还应该更进一步考虑土壤中热湿迁移的影响。 [参考文献] [1] 余乐渊．地源热泵u型埋管换热器传热性能与实验研究[D]．天津：天津大学，2004． [2] 龚宇烈．u型管桩埋换热器传热理论模拟与实验研究[D]．天津：天津大学，2003． [3] 曾和义，方肇洪．u型管地热换热器中介质轴向温度的数学模型[J]．山东建筑工程学院学报，2002，17(1)：7一l1． [4] Patankar S V著，郭宽良译．传热和流体流动的数值方法『M]．1984． |
| 上一篇：钽换热器管板焊接接头温度场数值模拟 | 下一篇：螺旋纵流管壳换热器的传热机理与实现 |