哈雷釬焊板式換熱器
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                熱滲耦合作用下U型埋管換熱器的數值模擬

                點擊:1604 日期:[ 2014-04-26 21:13:56 ]
                                      熱滲耦合作用下U型埋管換熱器的數值模擬                        李素芬1, 王金香1, 葛玉林1,2, 東 明1 ( 1.大連理工大學能源與動力學院,遼寧大連  116024;2.錦州石油化工公司設計院,遼寧錦州  121001 )     摘要:針對土壤耦合熱泵地下U型換熱埋管,建立了管內流體以及換熱器周圍土壤熱滲耦合物理數學模型。所建模型考慮了U型管的實際形狀,土壤考慮為飽和多孔介質,管內湍流流動采用Realizablek-ε模型。采用Fluent軟件對模型進行模擬計算,得到了管內流體以及周圍土壤溫度分布。分析了土壤中水的滲流對傳熱過程的影響,并對考慮滲流作用時不同土壤物性對單根U型垂直埋管換熱器周圍土壤溫度場進行了模擬計算與分析。     關鍵詞:土壤耦合熱泵; U型埋地換熱器;多孔介質;熱滲耦合;數值模擬     中圖分類號:TK521.3     文獻標識碼:A     0 引 言     土壤耦合熱泵研究的核心問題集中在埋地換熱器與周圍土壤間的耦合關系上,涉及到換熱器與土壤兩個方面。自20世紀70年代歐美等國研究機構對地下埋管的換熱過程開展研究,研究成果反映在Rose和Parker[1]、Metz[2]及Mei[3]等人的論文和研究報告中。1948年Ingersoll[4]等人發展Kelvin的線熱源理論,多數土壤耦合熱泵設計以該理論為基礎。該理論作了如下假設:土壤初始溫度均勻,線熱源熱流恒定,換熱器與土壤間只有徑向的純導熱,忽略土壤熱濕傳遞,土壤為各向同性,熱物性參數為常數。     垂直U型換熱埋管由于U型管左右兩支管內流體溫度不同,且間距很小,兩管間傳熱相互影響,產生了熱短路現象,而線熱源理論則忽略了這一現象。且土壤是固、液、氣多孔介質,地下水在其中流動。流體在多孔介質中的流動稱為滲流,因此埋管周圍土壤傳熱過程其實是個熱滲耦合過程。豎直埋管一般都垂直深埋,所以實際上在其穿透的地層中或多或少地都存在著地下水的滲流,尤其是在沿海地區或地下水豐富的地區甚至有地下水的流動。因此有必要研究滲流對地下埋管換熱的影響。本文所進行的數值模擬是在與實際U型管形狀完全相同的模型基礎上計算流動與傳熱,將土壤視為均勻的,各向同性的飽和多孔介質,研究滲流對地下埋管換熱器傳熱的影響。本文對U型埋管換熱器夏季運行工況進行了數值模擬,數值模擬軟件為Fluent,建模軟件為Gambit。     1 數學模型     本模型包括的幾何體有U型管內的水、U型管、土壤。U型管內的水處于湍流狀態,本文采用Realizablek-ε模型模擬管內湍流流動[5]。土壤被視為飽和多孔介質,考慮水在其中的二維滲流,忽略豎直方向的滲流。     1.1  U型管內流體的數學模型     標準k-ε模型是半經驗公式,主要是基于湍流動能和擴散率。假定流場完全是湍流,組分之間的黏性可以忽略。標準k-ε模型對完全湍流流場的模擬很有效,相比k-w模型、雷諾應力模型及大渦模擬更節約計算時間。對于管道內流動,Realizablek-ε模型效果更好[6]。     Realizablek-ε模型關于k和ε輸運方程如下:                                         1.2 飽和多孔介質(土壤)數學模型     水在土壤中的滲流為層流流動,遵循Darc定律:                       多孔介質的動量方程:     多孔介質的動量方程具有附加的源項,源項     由兩部分組成,一部分為黏性損失項,另一部分為內部損失項,對于各項同性的均勻多孔介質,其為                      2 實際模擬     2.1 模擬對象     本文所模擬的U型管內徑為25 mm,外徑為32 mm,埋深30 m,兩支管腿中心距為180 mm,豎井直徑300 mm,土壤半徑為3 m。U型管為高密度聚乙烯管,物性參數為ρ= 950 kg/m3,λ=0.44 W/(m·K),cp= 2 300 J/(kg·K)。土壤為粗砂土,物性參數為ρ= 1 600 kg/m3,λ= 1.8W/(m·K),cp=1 645 J/(kg·K),=0.37,α=0.01。     2.2 模型網格劃分     數值計算的網格采用Gambit商業軟件進行劃分。網格劃分的原則是在溫度場和速度場變化劇烈的地方和方向密集劃分網格,而在溫度場和速度場變化緩慢的地方和方向疏松劃分網格[6]。由于地下換熱器傳熱過程中,溫度沿徑向方向變化較大,而沿深度方向變化緩慢;在水平方向上密集布置網格,而在豎直方向上疏松布置網格。并在水平方向上,對U型管周圍網格進行了局部加密;而在豎直方向上,在U型管彎管處,流場變化劇烈,故對U型管彎管網格做了局部加密。管內湍流邊界層的劃分,邊界層的厚度由式(7)估算[7]:                    式(7)、(8)中:δ為邊界層厚度,d為U型管內徑,λ為沿程阻力系數。     管內的極限流速為1.2 m/s,管內徑為25mm,故得到邊界層的厚度約為0.15 mm,將邊界層分為10層,每層取0.015 mm。模型的最終網格數為56萬。     土壤水平面的網格劃分見圖1,豎井及U型管水平面的網格劃分見圖2。                         2.3 邊界條件的設置     U型管入口為速度入口,速度值為0.27m/s,溫度值為298 K;出口因已經充分發展,故設置為outflow;管壁設置為對流壁面邊界條件;土壤頂面設置為對流形邊界條件,對流換熱系數由式(9)得到;土壤遠邊界設置為定溫條件,T=287 K。                      式中:C為常數,冬季取0.54,夏季取0.58。     3  模擬結果及分析     3.1 有滲流與無滲流兩種情況下的土壤溫度場在有滲流的情況下,土壤的傳熱方式有兩種:     1)多孔介質固體骨架和孔隙中水的導熱;2)土壤中水滲流產生的對流換熱。為了研究土壤中水的滲流對土壤溫度場的影響,本文模擬了系統夏季連續運行20 d,有滲流與無滲流兩種情況下地下埋管的傳熱狀況。圖3、4分別給出了深度5 m處有滲流與無滲流兩種情況下土壤溫度場的分布。由圖3、4可以看到,無滲流的土壤溫度場基本是以中心對稱的,而有滲流的土壤溫度場發生了變形。有滲流時的熱作用半徑約為2 m,無滲流時的熱作用半徑為2.8 m;有滲流時埋管周圍溫度低于無滲流時的情況。對于地源熱泵,熱作用半徑越小,在相同面積土壤范圍內,可以埋設更多的地下換熱器,提高土壤的利用價值;埋管周圍溫度越低,越有利于地下埋管的換熱??梢?有滲流更有利于地下換熱器的運行,滲流對地下換熱器的傳熱有很大影響,是不可忽略的問題。這是由于有滲流情況下,考慮了土壤水分的影響,土壤水分的熱容量很大,為4.2×106J/(m3·K),而固相粗砂土的熱容量為2.6×106J/(m3·K),土壤的有效熱容量由(10)計算[8]得到為3.2×106J/(m3·K)。                        式中:(ρc)eff為多孔介質的有效熱容量,(ρc)f為流體熱容量,(ρc)s為固體熱容量。     土壤的熱容量在滲流情況下要遠大于無滲流情況。熱容量是表征蓄熱能力的參數,熱容量越大,單位體積土壤所能提供的熱量也就越多,熱作用范圍就越小。     從圖3中可以看到,越遠離埋管,土壤的溫度分布越接近圓形;越接近埋管,土壤的溫度分布越不規則。這主要是由于U型管兩支管間的熱干擾影響,在非等溫滲流中,溫度場和滲流場是互相影響的,距離埋管越近,受到的熱干擾影響越大,埋管周圍滲流越不均勻,故溫度場分布很不規則;距離埋管越遠,熱干擾作用越小,滲流越均勻,故溫度場分布趨于規則。                         3.2 不同土壤物性對換熱器周圍土壤溫度場影響     上述僅針對粗砂土土壤的溫度場進行了模擬分析。為了分析在不同土壤類型下土壤溫度場的變化規律,分別對黏土、淤泥溫度場進行了研究,三種土壤的物性參數見表1。     圖5、6分別給出了深度5 m處黏土、淤泥的土壤溫度場。從圖3、5、6中可以看到,在同一深度下,粗砂土的熱作用半徑約為2 m,黏土的熱作用半徑約為1 m,而淤泥的熱作用半徑約為2.5 m。     可見,黏土的熱作用范圍最小,而淤泥的熱作用范圍最大。這是由于黏土有很大的蓄熱能力對于多孔介質,有效熱容量是表征蓄熱能力的參數,有效熱容量越大,單位體積土壤所能提供的熱量也就越多,故隨有效熱容量的增大,吸放熱半徑明顯減小,換熱器所能影響到的范圍就越小。     圖7~9分別給出了深度5 m處埋管周圍粗砂土、黏土、淤泥溫度場的局部放大,并標注了此深度處埋管入口與出口管壁附近土壤的溫度值。由圖可以看到,埋管入口與出口管壁附近粗砂土的溫度變化最小,黏土的溫度變化最大。對于埋管換熱器,管內流體與管壁處土壤溫差越大越有利于換熱,也就是說土壤溫度變化越小越有利于換熱。從多孔介質土壤物性來看,即有效導熱系數越大,土壤溫度變化越小,所以粗砂土的溫度變化最小。                                                                 4 結 論     1)本文采用Fluent商業軟件,對地下埋管換熱器及周圍土壤溫度場進行了模擬:(1)考慮了U型管的實際形狀,沒有采用等效管,模擬了管內流體的真實流動;(2)將土壤考慮為飽和多孔介質,考慮了土壤中水的二維滲流。這對模擬和預測地下埋管的換熱性能、效果提供了方法和手段,對地源熱泵埋地換熱器的設計具有指導價值。     2)有滲流情況下,土壤的熱作用范圍變小,埋管周圍溫度降低(夏季)。滲流有利于地下換熱器的傳熱,如埋管埋在有滲流的土壤,而不考慮滲流,將導致地下換熱器的設計容量增大,造成資源和經濟的浪費。     3) U型管兩支管的熱干擾引起了埋管周圍溫度場分布的不規則。     4)土壤物性對溫度的影響:有效導熱系數越大,土壤溫度變化越小;而有效熱容量越大,換熱器的熱作用范圍越小,即有效導熱系數和有效熱容量均較大的土壤是埋地換熱器的理想埋設環境。 參考文獻(References): [1] ROSE J E, PARKERJ D. Ground-coupled heatpump research [J].ASHARE  Trans, 1983,89(2):375-390. [2] METZ P D. A simple computer program to modelthree-dimension  underground heat flow withrealistic boundary conditions [J].J of  Solar EnernyEng, 1983,105: 42-49. [3] MEI V C. Theoretical heat pump ground coilanalysis with variable  ground far-field boundaryconditions [J].AIChE J, 1986,32(7):1211-1215. [4] INGERSOLL L R, ZOEBLE O J, INGERSOLL AC, Heat conduction with  engineering: geological andother application [M]. New York:McGraw-Hill,1954. [5]顧中煊,吳玉庭,唐志偉,等. U型管地下換熱系統非穩態傳熱數值模擬[J].工程熱物理學報, 2006,27(2):313-315. [6]王福軍.計算流體動力學分析—CFD軟件原理與應用[M].北京:清華大學出版社,2004. [7]張也影.流體力學[M].北京:高等教育出版社,1986: 258-26.
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