哈雷釬焊板式換熱器
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                套管式地下換熱器傳熱模型及其特性分析

                點擊:1547 日期:[ 2014-04-26 22:00:35 ]
                                               套管式地下換熱器傳熱模型及其特性分析                                       江彥 高青 李明 崔淑琴                                   (吉林大學熱能工程系,長春130022)     摘要:通過對套管式地下換熱器傳熱過程的分析,在已有套管式地下換熱器傳熱模型基礎上,考慮管內流動和傳熱,提出了集管內流動與土壤導熱相耦合的傳熱分析模型,并利用有限元數值計算方法進行了傳熱特性的分析。討論了埋管管徑組合和流體流速對流體出口溫度及單位埋管換熱量的影響。此外,還系統地研究了連續運行模式和可變負荷運行模式的地下傳熱特性,闡述了地下換熱器高效運行的控制策略和影響。     關鍵詞:動力機械工程;儲能技術;套管式地下換熱器;耦合傳熱模型;傳熱分析     中圖分類號:TK512 文獻標識碼:A 文章編號:1671-5497(2007)05-1034-05     地能利用中的地源熱泵以及地下蓄能是一種 高效節能、清潔無污染的可再生能源利用技術,它具有很廣闊的應用前景和發展潛力,越來越多地被建筑和公共設施的冷暖環境供應所采用。但是,較高的初投資預算和地下換熱器較大的設計 偏差一直困擾地下換熱系統的應用和發展。     Cane和Forggas[1]曾總結地下換熱器的應用情況,指出一般的設計尺寸往往都要超過實際情況 10%~30%,但卻造成投資增加。長期以來,研究 者們都非常重視相關問題的研究,提高地下換熱器的設計準確度,促進地能利用和發展。對地源熱泵傳熱模型的研究主要集中在Kelvin線熱源及Carslaw和Jaeger[2]提出的柱熱源模型上。     Mei和Fischer[3]在能量守恒基礎上建立了垂直套管換熱器的瞬態傳熱模型,內管內流體和環腔內流體采用二維瞬態傳熱模型,管壁及土壤的導熱采用一維瞬態傳熱模型,該模型假設熱量通過管壁向土壤導熱。Yavuzturk等[4]采用極坐標系建立二維瞬態傳熱方程,將U型管的兩根圓管采 用半徑換算的方法用一根圓管近似代替,將管內 流體與土壤的對流換熱作為邊界條件進行加載, 對傳熱方程采用有限差分方法進行離散計算。但是,這些研究與其他眾多研究[5-8]一樣,不考慮熱量在深度方向上的傳遞。顯然,這樣的假設,簡化了傳熱模型,大大降低了計算量,減少了計算機資源的占用,但往往使地下換熱器傳熱計算和尺寸設計精確度受到一定的影響。隨著計算機技術的高速發展和計算能力的大幅度提高,計算模型的改進也得以實現。     本文通過對套管式地下換熱器傳熱過程分析,在Mei等提出的套管式地下換熱器傳熱模型基礎上,考慮管內流動和傳熱,提出了集管內流動與土壤導熱相耦合的傳熱分析模型。該耦合傳熱模型考慮到管內流動引起的對流換熱以及流體與 土壤之間的導熱。模型計算應用有限元數值計算方法,對地下換熱過程模型函數進行離散處理,分別實現了對流體與土壤在深度及平面上溫度分布 情況的計算和分析。此外,本文還系統地闡述了連續運行模式和可變負荷運行模式的地下傳熱特性,以及埋管管徑組合以及流體流速對流體出口溫度及單位埋管換熱量的影響。該研究工作為拓展地下傳熱理論和指導實際工程奠定一定基礎。     1 數學模型     1.1 流體湍流運動與對流換熱 圖1為套管換熱器模型,取環腔內的一流體微元進行分析,則其完整的對流換熱微分控制方程組的時均形式[9]由R和L方向的連續性方程、動量方程和能量方程組成。                        R方向的連續性方程、動量方程和能量方程分別為:                        由于對質量、能量和動量方程作了時均推導, 在微分方程中出現了包含脈動值的附加項,因此上述方程組不封閉。為了使方程組封閉,需要能把湍流的脈動值與時均值聯系起來的關系式,即引入湍流模型,本計算中應用的湍流模型是二方 程模型k-ε方程。     k方程為                        k是單位質量流體湍流脈動動能,可表示為                                         1.2 土壤導熱     應用前述流體換熱方程組,通過有限元差分 方法解得流體溫度后就可確定土壤導熱問題的第 三類邊界條件,即對流換熱邊界條件。這樣,土壤 的導熱問題便可利用獲知的流體溫度解代入下面 的土壤導熱方程[10]中求出。                       2 數值計算及簡例分析     以同軸套管換熱器地下吸熱狀態為例,計算 地下傳熱過程中連續運行模式和可變負荷運行模 式的傳熱特征和規律。     套管換熱器選擇兩種尺寸組合方式,一種是 外管徑25 mm和內套管徑15 mm的組合,簡稱 “15/25組合”;另一種是外管徑50 mm和內套管 徑30 mm的組合,簡稱“30/50組合”。埋管深度 為30 m,計算邊界選擇半徑1 m范圍內,初始條 件為土壤溫度9.5℃,入口水溫2℃。      2.1 管徑對流體出口溫度的影響     兩種管徑組合的環腔內加載流速均為0.2 m/s,運行24 h,地下換熱器出口溫度見圖2。                         在15/25管徑組合的條件下,系統運行的前 8 h出水溫度下降很快,此后趨于平穩,溫度穩定 在2.5℃左右;在同樣條件下,對于30/50管徑組 合,出水溫度下降略顯緩慢,8 h后,同樣趨于平 穩運行,出水溫度約為2.2℃。由此可知,在相同 的土壤環境和地下換熱器內流速下,前者管徑組 合的出口溫度相對較高,有利于熱泵的高效運行。     2.2 速度對流體出口溫度的影響     分別選擇3種流速v=0.1 m/s、v=0.3 m/s 和v=0.4 m/s的流動狀態,管徑組合選擇30/50 方案,地下換熱器經過24 h傳熱過程的流體出口 溫度變化,如圖3所示。                        當流速較低(0.1 m/s )時,流體換熱時間充 分,流體出口溫度一直保持較高。隨著時間的推 移,地溫的下降,出口溫度由開始穩定的4.6℃逐 慚下降為2.5℃。由于總流量較低,因而單位管 長吸熱率較低,為17.6 W/m。 當流體速度為0.3 m/s和0.4 m/s時,盡管 管內流體紊流程度加大,但由于吸熱量大,其單位 管長吸熱率分別為20.6 W/m和20.9 W/m,因 而地溫下降明顯,流體出口溫度迅速下降,最后穩 定在2.2℃左右。     比較圖2和圖3的30/50管徑組合的4種情 況(0.1 m/s、0.2 m/s、0.3 m/s和0.4 m/s),運行 至穩定狀態后,流體出口溫度分別為2.52℃、 2.27℃、2.23℃和2.18℃。由此表明,增加流 速可以提高地下換熱器的吸熱率,但由于地溫逐 漸降低,流體出口溫度有所下降,不利于熱泵的高 效運行。所以,對于地下換熱器在地源熱泵系統 中的應用,應綜合考慮效率問題。     2.3 可變負荷模式運行影響分析     設定大間隔變化和小間隔變化兩種變負荷模 式[11],均采用模擬計算總時間為120 h(5天),每 天采用變流量的可變負荷運行形式的間隔時間與 流速控制,如圖4所示。盡管兩種間隔不同,但每 天24 h內均保證以0.3 m/s運行16 h,以0.1 m/ s運行8 h。                         2.3.1 流體出口溫度對比     當系統采用流量改變運行方式時,流體出口溫度會隨之產生波動變化,如圖5所示。大流速高流量運行時,地下換熱器流體出口溫度波動起伏更加明顯,存在更明顯的下降邊。低流速小流量相對減緩??傮w下降趨勢逐漸平緩。系統從大 流量變為小流量運行時,由于傳熱負荷的減小,對埋管周圍的土壤而言,相當于有了一個溫度恢復期,土壤溫度有所升高。流速減小,單位體積流體流過埋管的時間延長,充分的吸熱導致流體出口溫度更高一些。顯然,不同的可變負荷控制模式 決定不同的地下換熱器溫度變化規律,影響系統的運行狀況。                        2.3.2 埋管周圍土壤溫度分布     圖6所示是經過大間歇運行120 h吸熱后土壤溫度的分布狀況。在地下換熱器近處溫度較低,且變化較陡,溫度變化影響區域半徑已經達到距埋管中心1.5 m處。                        圖7為120 h吸熱后又經過48 h的溫度恢復 期的土壤溫度分布情況。此時土壤溫度恢復較為明顯,在管壁處溫度由2.5℃上升至4.5℃。遠距離區域土壤溫度由于低溫處的能量補充,有一 定程度的下降,溫度分布曲面略有下移。由此表 明,變負荷或間歇運行有利于利用周邊土壤內的能量,提高地下換熱器近處的溫度,從而達到更高 的流體溫度。                            3 結 論     (1)考慮管內流動和深度方向傳熱,建立了集管內流動與土壤導熱相耦合的傳熱分析模型,完善和改進了套管式地下換熱器的計算分析。     (2)系統地分析了連續運行模式和可變負荷運行模式的地下傳熱特性以及相關主要因素對流體出口溫度及埋管換熱能力的影響。     (3)當管徑較小時,流體與土壤的傳熱效果增強。在文中算例中,當內外管徑組合減小一倍時, 流體的進、出口溫差大約增加一倍,有利于提高系統的COP值,但單位管長吸熱率減小近一倍,地能利用量減少。管徑過小又會增加系統的阻力, 增加泵的功率損失。     (4)當流體流速處于低速時,單位管長換熱率小,地能利用不充分。當流體處于高速時,流體出口溫度相對較低,但單位管長換熱率較高。在較高流速范圍內,流速的增加對增強換熱的效果不明顯,且加大流速對系統阻力的影響較大。因此,在實際工程應用中,流速選取具有重要作用。     (5)可變負荷運行模式可以改變地下換熱器溫度變化規律,對系統高效運行和控制具有重要作用??勺冐摵蛇\行比連續運行更有利于控制流體出口溫度,并受間隔運行等諸多因素影響。     參考文獻:略 
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