u形管式换热器
煤气换热器
翅片式换热器
新闻动态
不同回填材料下地埋管换热器性能的实验研究点击：1816 日期：[ 2014-04-26 22:54:54 ] |
| 不同回填材料下地埋管换热器性能的实验研究 齐承英 王华军 王恩宇 河北工业大学 摘要：实验研究了原土(粉细砂)和中粗砂回填条件下双U形地埋管换热器的传热性能,获得了换热量随管内流体平均温度的实测变化曲线。结果表明,换热量与流体平均温度之间呈线性变化规律,在地埋换热器工作温度范围内,中粗砂回填时的换热量比粉细砂回填时高约10%(取热工况)和6%(排热工况)。建议在选择回填材料时,应在考虑其对地埋管换热器传热特性影响的基础上,进一步考虑其经济性。 关键词：地源热泵 地埋管换热器 换热性能 回填材料 0 引言 近年来,随着大型地埋管地源热泵系统的推广应用,地埋管换热器钻孔的回填技术逐渐成为系统优化设计的一项核心内容。Paul较早研究了回填材料的导热系数对竖直地埋管换热器的性能影响[1]。Gu等人进一步建立了回填材料与地埋管换热器的传热模型[2]。国内在回填技术方面也开展了相关研究。张旭等人对不同类型土壤的热物性进行了大量的实验研究[3]。李新国等人对混凝土和湿砂土回填材料下桩埋和井埋换热器的换热性能进行了实验对比[4]。此外,开发新型回填材料也成为目前的一个重要研究方向。王向岩等人进行了超强吸水树脂与原土混合回填材料的实验研究[5]。 根据笔者在京、津、冀地区的实际调查可知,原土/浆回填技术在当前的地埋管地源热泵工程中应用比较广泛,甚至在一定程度上有替代其他回填技术的趋势。显然,原土回填具有经济方面的优势,但在对地埋管换热器换热性能的影响方面尚缺乏足够的实验数据。而且,原土特性也因地域和气候而异。基于此情况,本文结合一实际地埋管地源热泵项目,对原土回填的钻孔换热性能进行实验测试,并与回填其他材料时的性能进行比较,旨在为地埋管地源热泵系统优化设计提供一些参考数据。 1 实验系统 1.1 系统简述 实验地点位于河北省唐海县曹妃甸工业区内。测试时间为2008年9月中旬至10月初。图1为地埋管换热器实验系统原理图。 该实验系统主要由土壤热响应测试仪和地埋管换热器组成。土壤热响应测试仪为笔者所在单位自行研制的基于恒温法的改进实验装置,可以用于排热和取热工况实验[6]。其中,加热主要由盘管加热器完成,冷却由压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器组成的封闭制冷循环完成,工质为R22。为保护压缩机,设置了启动延时、高低压限制等功能。制热和制冷系统的最大功率分别为12 kW和9 kW,可通过面板上的PID积分控制器来进行粗调和微调,以维持不锈钢保温水箱中冷/热源水温的动态平衡。水箱的有效容积为40 L,其中安装了若干水温水位传感器,起辅助水温调节作用。系统的有效温控范围为5~40℃,控制精度为±0.5℃。循环水泵型号为RS-25,功率为90 W,额定流量和扬程分别为2.5 m3/h和6 m。 数据主要由GPR-Ⅱ型计量冷/热量表测量。冷/热量表的精度等级为Ⅱ级,其中工作温度范围为4~95℃,分辨率为0.1℃;流量启动值为0.007 3 m3/h,分辨率为0.001 m3/h。冷/热量表配置了RS485标准接口,并与采集计算机相连,记录相关测试数据。有关本文测试装置的其他详细描述可见文献[6],这里不再赘述。 1.2 钻孔及回填材料 实验对象为2个深度为120 m的地下换热孔,钻孔直径为240 mm。地埋管换热器采用双U形高密度聚乙烯(HDPE)管,公称直径为DN32。两个换热孔的间距定为10 m,以尽可能减少两孔相互传热引起的干扰。所有裸露管道均用橡塑材料保温,以减少热/冷量损失。 根据现场岩芯取样测试(测试方法见GB/T50123—1999《土工试验方法标准》)结果可知,测试地点的地层为第四系全新统滨海相沉积层,主要为淤泥质黏土、粉质黏土、粉砂以及粉土。图2显示了原土样品的颗粒组成情况,可以看出,原土的颗粒直径范围为0.005~0.250 mm,主要表现为细粉状,称为粉细砂。 根据以上分析,选择原土和中粗砂分别作为1#钻孔和2#钻孔的回填材料(回填较为密实)进行研究。表1给出了两种回填材料的一些典型物理特性。 2 实验结果及讨论 首先进行了初始工况实验,即不开启加热或制冷装置,而仅依靠循环泵来维持地埋管换热器环路的循环。测试得到,当地埋管换热器的进出口水温温差稳定在0.1℃时,流体平均温度为14.5℃,对应的地下换热量为0.75 W/m,此热量主要来自循环水泵的功率消耗。由文献[7]可知,上述流体平均温度可以近似看作当地的土壤初始平均温度。笔者实测得到的土壤初始平均温度为14.7℃[8],与上述流体平均温度比较接近。 然后进行实验工况实验,为了方便比较,对两个钻孔分别设定4组实验工况,其中排热工况进口水温分别设置为30℃和35℃,取热工况进口水温分别设置为5.5℃和8℃。实验顺序为先取热,后排热。 土壤热响应实验采用恒温法,该方法较传统的恒热流测试方法在测试稳定时间上具有一定的优势[7]。图3和图4分别给出了采用原土和中粗砂回填材料时,地埋管换热器排热/取热工况的典型实验数据,可以看出,在恒温法土壤热响应实验中,换热量在初始阶段相对较大,大约在20~30 h以后逐渐进入稳定状态,这主要是由于进出水温差逐渐变小,并最终保持恒定的缘故。进一步比较可知,原土和中粗砂回填条件下的传热稳定时间分别约为30 h和24 h,后者时间比前者缩短约20%,这在一定程度上说明采用中粗砂回填材料时,地埋管换热器具有较好的动态传热性能。 图5进一步给出了换热量随传热流体温度变化的比较,可以看出,换热量与地埋管换热器内流体的平均温度之间呈明显的线性变化规律,这与理论分析结果完全一致[6]。通过最小二乘回归分析可知,与原土相比,中粗砂回填时的换热量曲线斜率较大,说明其换热性能更优一些。例如,当流体平均温度分别为5℃和30℃时,取热量分别为45.54 W/m(原土)和49.89 W/m(中粗砂),排热量分别为74.62 W/m(原土)和79.15W/m(中粗砂),后者比前者高9.55%(取热工况)和6.07%(排热工况)。该数据与模拟计算结果(中粗砂回填比粉细砂回填换热量增加分别为11.0%(取热工况)和7.2%(排热工况))[2]相比略小,除了实验和理论计算本身的误差外,原因还在于回填材料的密实程度存在差异。当采用高导热系数的回填材料时,若钻孔回填的密实程度较差,预期的强化传热效果将会大打折扣。因此,地埋管换热器的传热性能不仅取决于回填材料本身,还与其施工工艺有密切关系。 就实际的地埋管地源热泵工程而言,回填材料的选择不仅要重视其对地埋管换热器传热特性的影响,还要充分考虑其经济性能。以本文实验为例,若采用中粗砂回填材料,其强化传热的作用会在一定程度上减少地埋管换热器的数目,从而有利于降低系统的投资成本;但另一方面,采用中粗砂回填材料也会带来成本增加问题。相反,若采用原土回填材料,地埋管换热器成本无疑会有所增加,但可以减少回填材料的相关成本。因此,选择回填材料时必须在分析建筑负荷、土壤和地埋管换热器换热特性的基础上,以系统长期稳定运行为目标,寻求传热性能与回填经济性能之间的平衡。从这个角度上讲,原土回填方式在某些特定条件下(如其他回填材料缺乏,且运输成本较高等)也可能具有一定的技术经济性能,但不可一概而论。就目前地埋管换热器的技术水平和施工工艺而言,需要特别注意原土回填的灌浆时间、钻孔塌陷以及密实程度等问题。 3 结论 3.1 对原土(粉细砂)和中粗砂回填条件下地埋管换热器的传热性能进行了实验分析,获得了换热量随管内流体平均温度的实测变化曲线。实验结果表明,换热量与流体平均温度之间呈线性变化规律。 3.2 在地埋管换热器工作温度范围内,中粗砂回填的换热量比粉细砂(原土)回填高约10%(取热工况)和6%(排热工况)。地埋管换热器的传热性能不仅取决于回填材料本身,还与其施工工艺有密切关系。 3.3 在选择地下钻孔的回填材料时,建议在考虑其对地埋管换热器传热特性影响的基础上,进一步考虑其经济适用性。 参考文献：略 |
| 上一篇：浅析板式换热器失效的几种因素及原因 | 下一篇：热管废热回收蒸发器在浊水余热回收中的应用 |