冻土层中水平埋管换热器换热特性的数值分析

2013年04月24 00:00:00 来源:中国制冷空调技术网

摘 要:冰冷区域冻土层对地源热泵水平埋管换热器(GHE)的换热特性发作重要影响。依据冻土层换热特色树立了一种简化传热模型,对水平埋管周围土壤瞬态温度 散布进行了模仿核算,剖析了冻土层冻住和土壤含水率对GHE热丢失的影响。核算成果标明,土壤冻住状况GHE的传热丢失相关于非冻土状况下增大。进液管热 丢失跟着土壤中含水量的添加先减小后添加,回液管热丢失逐步减小,GHE总热丢失减小。核算成果与国家标准“地源热泵体系技能规” (GB 503662-2005)中对水平埋管的埋深规则相符合。

0·导言

在地源热泵体系的描绘中,一般注重笔直埋管的描绘,常常忽视其浅层水平连接收与周围土壤的换热状况。尤其在北方的冬天,冻土层会对换热器的换热效 果发作不良影响,直接影响建筑物冬天的采暖。关于大面积的地源热泵体系,水平埋管部分在整个体系中占有较大的份额,因而有必要对水平埋管部分在冻土层中的 换热状况做出定量剖析。

国家标准《地源热泵体系工程技能标准》(GB50366-2005)中思考了冻土层对换热器的影响,规则竖直地埋管换热器体系水平连接收的深度应 在冻土层以下0.6m,且距地上不宜小于1.5m[1]。可是在标准施行之前,在描绘中许多水平地埋管换热器的描绘埋深都在当地冬天冻土层之内。实践查询 可知在北京、天津和其他区域有许多这种描绘方式的地埋管工程项目[2],因而,研讨水平埋管在冻土层中的换热特性对实践工程有重要的指导意义。

土壤的冻融进程是一个杂乱的含湿多孔介质体的非稳态相变传热进程,因为土壤水是富含各种杂质的非纯洁物质,然后使得土壤水的相变进程不是严厉在某 一温度下发作,而是在小的规模内发作[3]。本文树立了思考土壤冻住相变进程的冻土层水平埋管传热模型,依据显热容办法使用ANSYS要点对地源热泵水平 地埋管换热器周围土壤的冻住特性及其对埋管换热的影响进行研讨,讨论土壤冻住和土壤含水量对地埋管周围土壤温度散布及GHE传热丢失的影响。

1·冻住层深度

土壤的冻住表象一般触及杂乱的传热、传质机理,在标准之中并没有给出具体的冻土深度核算模型。可是在实践使用中,冻土层均匀深度能够经过以下公式核算[4]。

式中:∑|Tm|指低于0℃月均匀气温的累计值,能够从气候统计资料查的。

从式(1)可知跟着温度的减小,冻土层的深度会添加。北京、天津区域的冻土层深度大概在0.45~0.5m之间。

图1所示为北京某工程的地源热泵体系水平连接收的安置方式,回填资料选用细沙和小粒径沙石。因为此工程建于标准(GB50366-2005)施行之前,并未依照标准埋深需求施工。显着看出,地埋管埋深处于冻土层规模之中。

2·传热模型的树立

2.1模型根本假定

因为地源热泵体系冬天运转时,土壤在埋管轴向上热传导相对弱得多,因而能够不思考轴向因热损耗而致使的温度衰减,仅核算埋管横断面上的温度场分 布。一起,在冬天冻土层中运转时,埋管对周围土壤加热,使冻土中的冰发作相变消融,所以对地埋管周围温度场的核算选用具有相变疑问的冻土二维温度场核算模 型。

为了使数学研讨成为能够,作以下假定: ①土和冻土颗粒不行紧缩;

②土壤为各向同性、均质、孔隙散布均匀的刚性含湿多孔介质,且孔隙中充溢水;

③疏忽土壤热湿搬迁耦合效果及对流效应影响;

④土壤为无盐土,即不思考溶质的影响;

⑤冻住的和未冻住的土壤热物性参数均为常数。

2.2操控微分方程

思考冻住状况下,地埋管周围温度场的求解疑问是一个有相变、移动鸿沟、内热源、鸿沟条件杂乱的不安稳导热疑问。其导热方程为:在Ωf内:

式中:符号f,u别离标明冻、融状况;Tf,cf,Ωf,Ωf别离标明冻住区内土壤的温度、比热、密度和导热系数;带“u”者为冻融区内相应的物理量。在移动的冻融交界面是s(τ)上,有必要满意接连条件和守恒条件,即:

式中:Ω为含水岩土的冰水相变潜热;n为移动鸿沟的方向矢量;Tm为冻住温度。

本文核算区域为2m×3m,冻土层深度0.7m,埋管深度0.5m,埋管处于冻土层之中。图2为该模型核算网格模型,X为水平轴,Y为竖直轴,选用三角形网格区分,合计5212个单元。

2.3鸿沟条件

2.3.1土壤

关于笔直埋管换热器,首要思考更深层土壤的换热,无限远的鸿沟条件视为恒温。可是,关于浅层土,温度会跟着空气的温度动摇。Y方向上的温度梯度应当要思考。本文选用以下模型核算地温[5、6]:

式中:τ为从地表面温度年波幅呈现算起的时辰,h;y为从地上算起的地层深度,m,地上y=0;T(y,t)为在时辰深度处的地温,℃;Tm为年 均匀地表面温度,℃;Aw为地表面温度年周期性动摇波幅,℃;T为土壤温度年动摇周期,h,T=365×24=8760h;a为大地的导温系 数,m2/s。

从1981~1998年均匀状况来看,地上最低温度为-5.1℃,最高温度为28.5℃[7],则上式能够简化成:

2.3.2水平埋管换热器

假定左右两个圈别离代表进、回液管。依据描绘需求,选用DN90的高密度聚乙烯管(8mm厚)作为水平地埋管换热器。冬天工况,进、回水温度别离为3℃、8℃。核算时疏忽管内和流体之间的热阻,选用恒温鸿沟条件,思考进、回液管的传热热阻。

初始条件以式(7)为地表鸿沟条件进行重复核算多年,直至得到安稳的温度场停止,将此刻取得的温度场作为该核算的初始条件。核算得到,冻土层深度0.7m,可见埋管处于冻土层之中。

依据式(7),核算时辰从地表温度为最低值时,即τ0=0时开端到运转30天。

2.4模型核算参数

冻住区、未冻住区各热物性参数可断定如下[9、10]:

式(8)~(9)中,下标g标明干土壤,i标明冻住冰,w标明水;ε为土壤含水量。

各种资料核算参数如下:

由文献[8]能够得到粘土均匀冻住温度为-0.1℃~-1.2℃,沙土为-2℃~-5℃。所以在剖析中,冻住温度取-1℃。

3·数值模仿剖析

本文选用ANSYS进行模仿,土壤在冬天冻住后,因为地源热泵进、回液管温度高于周围土壤,土体中的冻住冰消融吸收潜热,对周围温度场影响很大。 模仿中选用显热容办法,把相变潜热折算成在一个小的温度规模内的显热容,显热容的巨细由相变潜热和相变温度规模所决议。在ANSYS有限元程序中,结冰潜 热能够经过界说资猜中的焓值改变来完成。图3为冻住状况下初始温度场。

图4所示水平地埋管运转30d温度场,进水、回水温度别离为3℃、8℃。因为埋管的温度高于周围的土壤,使周围的冻土中的冰发作相变消融,因而会形成水平地埋管换热丢失。

由图可见:因为回水管温度高于进水管,回水管换热要剧烈一些;相关于周围的土壤,回填区域资料导热系数较大,此区域热交换对温度场影响也较大。

3.1土壤冻住对地埋管换热的影响

图5为思考土壤冻住与不思考土壤冻住状况水平管散热丢失的比照,可见不思考冻住相变时进、回液管开端运转2h后的散热热丢失别离为18.6W/m 和52.7W/m,而相应思考冻住相变时的散热丢失为79.7W/m和140.1W/m。模仿运转一个月后,不思考冻住状况下热丢失约占思考冻住相变状况 下的35%。因而水平埋管坐落冻土层内时,不能疏忽相变吸热。

3.2土壤含水量对埋管换热的影响

经过图6~7能够看出供、回液管跟着运转时辰的添加,散热丢失逐步减小。如关于含水量20%的土壤前50h,回液管热丢失从140.1 W/m降 到55.4 W/m;进液管热丢失从79.7W/m降到24.8W/m。之后250h,进、回液管散热趋势陡峭,回液管热丢失降到37.5W/m,进液管 热丢失降到8.8W/m。这首要是因为进、回液管周围的冻土消融后,周围土壤导热系数变小,致使传热热阻变大;别的因为地表温度逐步上升,致使水平埋管周 围土壤温度也上升,致使埋管与周围土壤温差减小。故使得散热丢失减小。

一起能够看出跟着回填资料含水量的添加,进液管的散热丢失先减小,大概50h后逐步添加;而回液管的散热丢失一向减小。这首要因为埋管温度高于周 围土壤冻住温度,回填资猜中冻住冰消融,因为水的导热系数小于周围土壤的导热系数,含水量越大,导热系数越小,传热热阻越大,使得回液管散热丢失跟着含水 量的添加而减小。可是进液管除与周围土壤换热外,还能够因为温差受回液管散热的影响。在体系运转前期,进液管本身进行散热,不受回液管的影响,跟着含水量 添加,土壤导热系数变小,形成进液管散热量也相应减小;大概50h后,进液管遭到回液管的影响,接近回液管的一侧的吸回收液管发出的热量,形成“热短路” 表象,使得进液管热丢失添加(如图8所示)。

图9可知,进、回液管总的散热量逐步减小,阐明回液管的散热量占首要位置。如含水量20%的土壤,前50h总散热丢失由219.8 W/m降到 80.2 W/m,之后1月时辰,散热丢失降到30.1W/m。因而能够说,跟着含水量的添加,冻土层消融后导热系数相应变小,导热热阻变大,对水平地埋 管换热器起到了保温效果。因而,这对水平地埋管换热器是有利的。

按国家标准“地源热泵体系技能标准”(GB503662-2005)中对水平埋深需求,水平埋管描绘深度至少为1.1m(0.5+0.6)。图3所示,这个深度大于冻土层最大深度0.7m,故核算成果和标准规则符合。

4·定论

1)提出了冻土层内简化的水平埋管换热器核算模型。结合实践的地源热泵体系,剖析了热泵运转30天的温度场散布。

2)剖析标明在冻土层中,水平埋管换热器的进液管热丢失随土壤中含水量的添加先减小后添加,回液管热丢失逐步减小。总热丢失随土壤的含水量添加而减小。含水量添加有利于减小水平埋管的散热丢失。

3)数值剖析成果和标准规则的描绘深度相符合。


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