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      哈雷釬焊板式換熱器
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      影響U型管埋地換熱器傳熱性能的因素實驗研究

      點擊:1592 日期:[ 2014-04-26 22:00:55 ]
                               影響U型管埋地換熱器傳熱性能的因素實驗研究                            1.朱漢寶  2.周亞素  3.柳國忠  3.朱忠良 (1上海莘陽建筑節能科技開發有限公司上海200235;2東華大學環境工程與科學學院上海200051; 3特靈空調系統有限公司上海200001)     摘要:通過利用七口不同深度的試驗鉆孔,采用熱響應原理,做了數組熱響應實驗與熱恢復實驗。分別詳細地分析了熱 響應實驗初始運行時間、U型管內循環水流速、埋孔深度與埋孔內的回填土等因素對U型管埋地換熱器傳熱性能的影響程 度。研究結果表明:在分析實驗數據時,一般得忽略實驗前10小時的數據;U型管內循環水的流速設計在0.8m/s~1.2m/s之 間比較恰當;60m~100m深的鉆孔比較適宜;需選擇導熱系數與土壤的導熱系數相匹配的回填土。實驗研究為地源熱泵空 調工程設計與施工提供一定的參考依據。     關鍵詞:工程熱物理;埋地換熱器;熱響應原理;土壤導熱系數;傳熱性能     中圖分類號:TK172;TK523文獻標識碼:A     埋地換熱器是地源熱泵空調系統的核心部 件,目前對其研究還不夠完善,在很大程度上制約 了地源熱泵的應用與發展。如:對各地土壤的導熱 系數、擴散率、傳熱率與初始溫度等傳熱性能參數 不清楚,設計出的埋地換熱器可能富余量過大,造 價過高;也可能系統達不到實際負荷的要求,空調 效果較差。從而,Morgenson、Kavanaugh、Gehlin 與Cruickshankes等專家針對地下巖土的導熱系數不 能象測量溫度、壓強等那樣直接測量,而只能根據 傳熱學理論通過測量溫度、熱流等參數進行反向推算,就引進了熱響應原理。并把這個原理應用 到埋地換熱器傳熱特性的研究中。     在上海不同地點鉆了深分別為A井(60m)、B井 (60m)、C井(40m)、D井(20m)、E井(94m)、F井(96m)與G井(62m)共七口井作為試驗井。利用研制的土壤性能測試儀器對實驗井進行傳熱性能實 驗研究,并對影響U型管埋地換熱器傳熱性能的各因素進行了實驗研究與分析,如:熱響應實驗初始運行時間、U型管內循環水流速、埋孔深度與埋孔內的回填土。     1.影響U型管埋地換熱器傳熱性能的因素分析     1.1初始運行時間     熱響應實驗達到傳熱平衡需要一段時間過程。在實驗的前階段,水箱內水的溫度高于U型管內的水的溫度,而且在加熱器的輸入功率下水溫變化比較迅速。所以土壤傳熱性能測試儀器水箱進出管路上的熱電阻所測到的溫度可能會對測試結果有影響。     根據圖1,前5小時,由于傳熱剛開始,土壤與循環水的具有溫差,傳熱平衡還未建立,這時根據實驗測得數據算出的土壤導熱系數高達34.49 W/ mk,明顯是不符合實際的;5h~12h內雖然熱平衡已經被打破,但由于測試時間較短,循環水與土壤還未達到進一步平衡,測試出來的導熱系數還是偏大。12h~20h內系統傳熱基本平衡,測試結果符合要求。圖1~圖2擬合直線2是忽略前10小時的測試 數據擬合直線,其導熱系數比48h內所有數據算出 的導熱系數要大。這表明:對于一般的測試環境條 件,為了獲得更準確的導熱系數,至少忽略前10小 時的數據,這些數據會導致導熱系數的估值偏大。     1.2 循環水流速     埋地換熱器的U型埋管內循環水的流速也是影響傳熱性能的重要因素。循環水流速過小,U型管內循環水處于層流狀態。此時的對流換熱熱阻不可忽略。而循環水流速過大,管路中的水力損失也較大,需要配備大功率的水泵,從而浪費能源。對 60mB井做了流速在0.2~1.2m/s之間的6組實驗。研究循環水流速對埋地換熱器的傳熱性能的影響, 尋找合適的流速范圍。                         圖3~圖6表現了流速與傳熱率、熱阻、進出口壓差以及進出口平均溫度的關系。當流速在0.2m/ s~0.4m/s之間,循環水在U型管內流速緩慢,流量 較小,循環水處于層流狀態。循環水與U型管壁之間的對流熱阻占總熱阻的5%~10%。雖然與土壤 換熱充分,但在相同的輸入功率下,循環水的平均 溫度較高,已經超過地源熱泵機組的設計運行參數,影響地源熱泵機組運行效果。當流速在0.6m/ s~1.2m/s之間,循環水在U型管內處于湍流狀態,平均溫度正好處在地源熱泵機組運行狀態點,換熱效果較好,對流熱阻基本上都可以忽略不計。系統 運行狀態平穩,節能效果比較明顯。這個流速段進出口平均溫度的理論計算與實驗的誤差更小(如圖 3),熱阻理論計算與實驗誤差在2%~4%之間(如 圖4)。這表明流速大于1.2m/s,循環水平均溫度過小,將偏離機組工作的狀態點,而且系統還需安裝功率較大的水泵,不建議采用。                            單根U型管循環水進出口壓差隨著流速的增加逐漸增加。流速在0.8m/s~1.2m/s之間時,壓差大約在0.06MPa~0.15MPa之間。實驗數據進過 二次擬合,獲得流速與進出口壓差的關系式: Y=0.09911X 2 -0.025X+0.04。而且,這個流速段的 單位鉆井傳熱率都大于100W。流速在1m/s~1.2m/s 之間,傳熱率基本上達到最大狀態。二次擬合方 程為:Y=-50.31X 2 +111.57X+45.31。而流速大于 1.2m/s時,埋地換熱器的傳熱率已經開始下降。所 以綜合考慮,在設計埋地換熱器時,循環水的流速應選0.8m/s~1.2m/s之間。     1.3 鉆井深度     雖然對埋地換熱器的鉆井深度沒有嚴格要求,但受到很多因素的制約,如:土壤結構,土壤熱物性,工程要求等。井深度較淺傳熱性能不夠好,而且也容易受環境的影響。井鉆得太深施工難 度較大,很容易碰到巖石層,工程造價較大。目前最深的鉆井大約在200m左右。七口試驗井的地下土質基本上都由細砂組成。施工簡單,打一口井工期較短,土壤傳熱性能較好。這里針對鉆井深度,研究其對傳熱率、導熱系數、熱阻、壓差與平均溫度的影響[9],為工程實踐提供參考依據。                            圖7~圖11表明鉆井深度不同,其它因素(如:傳熱系數、壓差與導熱系數等)都會隨之改變。導熱系數隨深度的增加而遞增,傳熱率以拋物 線的軌跡在增加。拋物線方程為:Y=0.011X 2 - 0.011X+92.2。主要原因有:1)不同深度土壤的土質與結構不同,熱物性也不相同,從而導熱系數與 傳熱率都有一定的差異;2)地下土壤越深,地下水越豐富。有些地區還存在著地下水流動情況, 這樣就產生了對流換熱,促使熱量擴散。深度越深,循環水所走的路徑越長,水力損失越大。圖 7所示,40mC井與60mB井的壓力損失相同是因為 C井比B井多走了20m的水平管?;旧厦棵坠苈?nbsp;的壓力損失為75Pa。不同深度鉆孔,循環水在管 路內所走的長度不同,換熱程度也不同,從而進出口的溫差也不同。從圖8可知,20m深的鉆井溫 差很小,很容易受到室外環境的影響。40m深鉆 孔的溫差勉強符合機組的運行狀態點。鉆井深在 60m~100m之間,進出口溫差在3.5℃~5℃之間,正 處在機組運行參數范圍之內。進出口溫差以直線的 軌跡隨鉆孔深度的增加而遞增。遞增直線方程為: Y=0.0445X+0.859。當鉆井深度為200m時,進出口溫差就上升到9.8℃。此時溫差嚴重偏離機組運行狀態點。若減小溫差,有效的辦法就是提高循環水 的流速。但進一步加大管路的水利損失,會造成能 量的浪費。從而,根據實際工程情況,推薦鉆孔深 在60m~100m之間。圖9是通過比較實驗測試熱阻 與理論模型計算熱阻,反應深度對土壤導熱系數測 試結果的影響程度。各鉆孔的實驗與理論熱阻誤差非常小,在圖9上兩者基本上是重合的。                         1.4 回填土     回填土實際就是用于填充埋地換熱器與地層 之間得填充材料。填充到鉆井內,包裹在鉆井周圍 不但可以起到固定U型管,防止污染物向深井泄漏 與各含水層之間水的滲透,而且還應促進埋地換熱 器的傳熱[10~11]。不同的回填土導熱系數不同,原則 上是導熱系數大的有利于埋地換熱器傳熱。若比土 壤導熱系數大得很多,U型管內的循環水的熱量能 及時通過回填土擴散到土壤中,但土壤不能來不及 向周圍擴散,導致熱量都聚集在鉆井周圍。從而, 選擇回填土必須考慮與土壤的匹配。這里對深度相 同的60m的A井、B井與62mG井進行回填土的實驗研究。     60m的A井與B井的埋管都采用高密度聚乙烯 (HDPE-100),62mG井埋管采用HDPE-80,分別 回填了50%膨潤土、50%的泥漿與100%泥漿,純 水泥和重量比為5%的膨潤土粉,經測定三者的導 熱系數分別為2.6W/mK、1.8W/mK與2.4W/mK。循 環水的流速設定為0.8m/s,分別對各井做了三組熱 響應實驗。分析回填土對鉆井的傳熱率的影響,為選擇與土壤導熱相匹配的回填土提供參考意見。 對于兩個其它條件相同的A井與B井,回填土 對鉆井的熱阻與傳熱率的影響比較明顯。導熱系數大的回填土促進鉆孔的傳熱。如圖12所示,A井的 傳熱率大于B井的傳熱率。如圖13所示,導熱系數 小的熱阻較大,影響熱量的傳遞。兩圖中的G井的傳熱率最小、熱阻最大,而回填土導熱系數值還處 在A井與B井之間。這就說明如何選擇回填土的重要性。G井周圍土壤的導熱系數只有1.87W/mK, 遠小于A、B井周圍土壤的2.697W/mK。A井的回 填土與土壤比較匹配,而B井的回填土導熱性能比 土壤的導熱性能要差,一定程度上阻止了熱量傳遞。但G井的回填土導熱性能遠優于其周圍土壤的導熱性能。從而,選擇回填要遵循兩個基本的原 則:1)先對實驗井進行土壤導熱系數測試,或查閱已有的土壤導熱性能參數資料,確定土壤的導熱系數;2)根據施工環境,選擇導熱系數與土壤的導熱系數相當的回填土。圖13中的黑點是根據數學模型計算的理論熱阻,與實驗測試的熱阻相比誤差在-5.9%~5.8%之間。                                         2 結論     針對七口不同鉆井,利用實驗方法研究了影響鉆井傳熱性能的因素。通過研究表明:     1)初始運行時間對土壤導熱系數影響很大,在分析實驗數據時,一般得忽略實驗前10小時的數據;     2)選擇回填要遵循兩個基本的原則:A、先對 實驗井進行土壤導熱系數測試,或查閱已有的土壤 導熱性能參數資料,確定土壤的導熱系數;B、根 據施工環境,選擇導熱系數與土壤的導熱系數相當 的回填土。     3)一般情況,U型管內循環水的流速設計為 0.8m/s~1.2m/s比較恰當。     4)土壤的導熱系數會隨著鉆井深度不同而改 變,60m~100m深的鉆孔比較適宜; 
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