哈雷釬焊板式換熱器
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                地埋管換熱器非穩態換熱性能的實驗研究

                點擊:2009 日期:[ 2014-04-26 21:58:06 ]
                                                 地埋管換熱器非穩態換熱性能的實驗研究                                            楊敏  陳穎  史保新                                  (廣東工業大學材料與能源學院,廣東廣州510006) 摘要:通過對一個土壤源熱泵系統非穩態連續制冷工況運行情況的測試,總結了土壤溫度、埋地管換熱器進出口水 溫及換熱性能隨時間的變化規律,比較了3種換熱器在非穩態連續換熱過程換熱性能的差異.對比實驗結果發現, 雙U形管換熱器單位井深換熱能力最強,是單U形管的1.05倍,是套管的1.73倍.比較了這3種換熱器管內的流 動阻力. 關鍵詞:地埋管換熱器;非穩態換熱性能;流動阻力 中圖分類號:TU833+.3 文獻標識碼:A 文章編號:1007-7162(2008)02-0022-04 熱泵技術對于節約能源、防止環境污染有重要 意義.地源熱泵技術是一種利用地表淺層地熱資源 (也稱地熱能,包括地下水、土壤和地表水等)的高 效節能空調技術.由于地下一定深度的土壤、水溫度 相對穩定,因此,地源熱泵與空氣源熱泵相比,可獲 得較高的循環性能[1].在地源熱泵系統中,高效地埋 管換熱器是研究的重要方向.目前有兩種常見的方 式:水平埋設和垂直埋設.由于垂直地埋管換熱器占 地面積少,換熱能力強,因此,國內外更多關注的是 垂直地埋管換熱器.主要研究的地埋管形式有:單U 形管、雙U形管、小直徑螺旋盤管、大直徑螺旋盤 管、立式柱狀管、蜘蛛狀管、套管式管等形式[2].并建 立了各種換熱單元模型,通過模擬計算,分析影響換 熱能力的諸多因素.在北方地區實驗表明:散熱工況 下,單U管的單位管長平均換熱量為35W/m(井深 80m),而雙U管的單位管長平均換熱量為20W/m (井深66m)[3].若以單位埋深計,單U形埋管的單 位埋深換熱量約為雙U管的87.5%. 地埋管換熱器的換熱能力受地理條件的影響較 大,包括氣候、季節、土壤的性質、地質的結構等等, 在運用該項節能技術時必須因地制宜.目前土壤源 熱泵在寒冷地區的研究與工程運用十分踴躍,國家 相應制定了很多設計與施工規范,但在夏熱冬暖的 南方地區(如廣東、廣西、海南以及東南亞地區)關 于熱泵技術的運用還在理論論證方面,許多結論缺 乏實驗數據的支撐,地源熱泵技術是否適用于冬暖 夏熱地區,又如何合理地運用該項技術,是一個值得探討的問題.基于此,筆者在廣州大學城搭建了地埋 管換熱器換熱性能實驗臺,對埋地換熱器與土壤之 間非穩態連續換熱過程進行實驗研究,了解土壤換 熱能力隨時間變化的規律,同時比較3種換熱器換 熱性能和變化趨勢,本研究將對該地區開發地源熱 泵有一定的意義. 1 實驗裝置 實驗臺搭建在廣州大學城校園內一草坪上.本 實驗臺由地埋管換熱器與地上熱泵系統構成,圖1 是整個系統的流程圖.系統分為地上部分與地下部 分.地下部分共設有3口井,鉆孔直徑為120mm,井 間距離為5m.分別埋入30m長的單U、雙U和套 管換熱器.單U及雙U換熱器的管材均為PPR,管 徑為DN15.套管換熱器外管為PVC管,管徑DN90, 內管為PPR管,管徑為DN15,各種換熱器的管間距 均為70mm.填埋土為黏土,地上部分設有水箱、水 泵、過濾器、熱泵機組及轉子流量計.管道中的水首 先在冷凝器中與制冷劑交換熱量,變為高溫水,到達 分水器,在水泵的作用力下被輸送到埋地換熱器,水 溫降低,再到達集水器,完成水循環.在整個實驗過 程中,使用的儀表設備有:LZS-15/25轉子流量計 (精確度等級為4)、Agilent34970A型數據采集儀、 1DBZ-65型自吸式清水泵(最大流量50L/min,最 大揚程65m,轉速2800r/min).熱泵機組的額定制 冷量為5.35kW,制冷額定輸入功率為1.2kW,工 質為R22. 管壁處土壤溫度的變化將由安裝在管外不同深 度的K型熱電偶測定,測點采用上密下疏的方式布 置,具體布置見圖2所示.測得的數據由數據采集儀 實時記錄,并實時傳送到計算機中保存起來.在熱泵 機組的進出水口處,也安放了熱電偶,測定進出水的 水溫.3種地埋管換熱器中的水流量用轉子流量計來測定,并通過閥門的開度來調節不同的水流量.為 了保證機組進、出口的水力平衡,在井的進出口處分 別安裝了分水器和集水器. 3種換熱器的縱向剖面圖如圖3所示,其中套 管的進水方式為長進短出型,雙U形管為十字交 叉型. 2 測試數據處理方法 換熱量: Q=mcp(tin-tout),(1) 式中,Q為地埋管換熱器時均換熱量,kW;m為地埋 管換熱器內水的質量流量,kg/s;cp為水的比定壓熱 容,kJ·(kg·K)-1;tin和tout分別為地埋管換熱器進 出口水溫,℃. 時均單位埋深換熱量: ql=Q·1000/L,(2) 式中,ql為埋地換熱器時均單位埋深平均換熱量, W/m;L為埋管深度,L=30m. 3 結果與分析 3.1 實驗前土壤溫度隨時間的變化 根據文獻[4],越到地面深處,土壤溫度受氣溫 的影響越小.這就是土壤源熱泵比空氣源熱泵性能 穩定,COP(CofficientofPerformance)高的原因.通過測試數據分析發現,廣州夏季地下12m深處土壤溫 度波動很小(0.2℃).在實驗前,測試井地下12m 深處土壤溫度逐時變化情況,由圖4可以看出,夏季 地面下12m深處土壤平均溫度為24.6℃,比室外 溫度要低6~7℃. 3.2 穩態換熱時土壤溫度的變化 熱泵機組從啟動開始,連續運行了45d,土壤溫 度不斷升高,45d后,土壤溫度趨于穩定.圖5為機 組運行45d后,地下12m處土壤的溫度一天內的 變化情況,縱坐標是管壁處土壤的時平均溫度.從圖 5可以看出,3種換熱器管壁處的土壤溫度變化幅度 已不是很大(0.25℃),此時換熱器與土壤的換熱達 到平衡.與圖4的初始土壤平均溫度相比,土壤溫度 都均有不少的升幅:單U形管周圍的土壤溫度升高 了16.9℃,雙U形管周圍土壤溫度升高了17·9℃, 套管周圍土壤溫度升高了14.1℃. 3.3 非穩態換熱過程中土壤日平均溫度的變化 圖6為熱泵進行連續制冷工況時,3個換熱器 12m深處管壁土壤日平均溫度的變化趨勢.由圖6可知,隨著機組運行的開始,管壁周圍土壤的溫度逐 漸上升.在最開始的幾天,土壤溫度上升速率最快, 尤其是在前兩天,12m處土壤初始平均溫度在 24·6℃,運行1d后,3個換熱器此處的土壤溫度都 超過了30℃,由于氣候變化的原因,在中間的時間 段有一些波動,波動范圍在0.6~1.5℃,最后溫度 趨于平緩.從圖6還可以看出,在運行期間,管壁土 壤溫度最高的是雙U形管,最低的是套管,單U形 管位于兩者之間.這說明,當土壤溫度達到穩定后, 通過地埋管換熱器交換的熱量雙U形管最多,套管 最少,單U形管次之. 3.4 非穩態換熱過程中換熱量及進出口水溫隨時 間的變化 在非穩態換熱過程中,換熱器中水的流量為 m=0·094kg/s,使用數據采集儀實時采集地下土壤 溫度和進出口水溫并對采集的數據進行了整理.得 到的結果如圖7、圖8所示.從圖7可以看出,雖然3 種換熱器的進口水溫都是一樣的,但出口水溫卻相 差很大.出口水溫最高的是套管,其次是單U形管, 最低的是雙U形管.這種差異在機組運行的開始階 段尤為明顯,在后期,單U形管和雙U形管的出口 水溫相差逐漸趨于一致. 圖8為非穩態換熱工況時3種換熱器日均單 位埋深換熱量,3條曲線的走勢是先升高后下降, 最后趨于平穩.與圖7相對應,出口水溫越高,日 均單位埋深換熱量越小.圖7中是套管換熱器日均 單位埋深換熱量最小,平均為19.8W/m,雙U形 管稍高于單U形管為34.3W/m,單U形管日均單 位埋深換熱量為32.7W/m.分析得出:雙U形管 日均單位埋深換熱量為單U形管的1.05倍,是套 管的1.73倍. 3.4 換熱器的阻力比較 地埋管換熱器主要由管道和附件組成.管內流 動阻力主要有沿程阻力和局部阻力. 1)沿程阻力計算 由此可見,雖然套管換熱器換熱能力最小,其 流動阻力也最小,故在設計地源熱泵系統時要充分 考慮系統的換熱能力與阻力大小,針對不同場合選 擇合適的埋地換熱器,保證系統具有較高的能源利 用率. 4 結論 通過對在廣州大學城的地源熱泵非穩態換熱工 況的實驗,得到了換熱器周圍土壤溫度、進出口水溫 以及流量的數據.結果表明: 1)非穩態連續換熱過程結束后,3種換熱器周 圍土壤溫度不同.雙U形地埋管換熱器管壁土壤溫 度最高,套管換熱器管壁土壤溫度最低,單U形地 埋管換熱器管壁土壤溫度處于兩者之間.由此可以 定性比較3種地埋管換熱器換熱量的大小. 2)在非穩態連續換熱過程中,單U形管、雙U 形管和套管3種換熱器的時均單位埋深換熱量是不 同的.在相同流量下(m=0·094kg/s),雙U形管的 時均單位埋深換熱量最高(34·3W/m),單U形管 次之(32·7W/m),最低的是套管(19·8W/m).原 因是水在雙U形管內的流程長,套管內流程短,另 外,套管換熱器的外管直徑比U形管換熱器的直徑 大很多,導致套管換熱器中水的流速很小,從而換熱 量減小. 3)3種換熱器的管道阻力是不同的.埋地管換 熱器的正確選擇必須充分考慮使用場合的需要,對 整個流體輸配系統進行合理的設計和選擇,才能發 揮地源熱泵的節能優勢. 參考文獻: [1]BoseJE.Advancesingroundsourceheatpumpsystems— aninternationaloverview[C]∥7thinternationalEnergyA- gencyHeatPumpConference.Beijing,2002:313-324. [2]丁勇,李百戰,盧軍,等.地源熱泵系統地下埋管換熱器 設計(1)[J].暖通空調,2005,35(3):86-89. [3]李新國,薛玉偉,趙軍.不同方式地下埋管換熱器的實驗 研究[J].制冷學報,2004,25(2):39-42. [4]常征.土壤溫度的變化特點及規律[J].油氣儲運, 1989,8(3):34-37. 
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