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不同负荷特性下单U型地埋管换热器换热性能模拟分析

2012年04月09 00:00:00 来源：中国制冷空调技术网

摘要: 文章对单U型地埋管换热器建立二维传热模型,并通过二维截面推移得到其三维模型。运用Ansys热分析软件,分析了某地区在不同空调负荷特性下的单U型地埋管换热器换热性能。模拟结果表明,单U型地埋管换热器在连续负荷作用下,每延米换热量从运行初期的约130 W下降到末期的34 W左右,在连续运行约200 h后基本保持不变;在间歇负荷作用下,每天运行末期的每延米换热量下降缓慢,在运行8 d后基本不变,保持在48 W左右,与连续负荷相比,换热器的热堆积小。

0引言

对于地源热泵空调系统,其原理是将建筑冷、热负荷通过地埋管换热器排放到大地中,因此地埋管换热器的工作性能直接与其承担的负荷特性有关[1]。在不同的建筑负荷特性下地埋管换热器系统能否适应,关系到实际工程中地源热泵方案的可行性。分析不同负荷特性下单U型地埋管换热器换热性能,可为判别地下换热器冷、热负荷的平衡以及能否长期正常运行提供依据。

本文通过对单U型地埋管换热器换热模型的建立,运用Ansys热分析软件,模拟分析了在不同负荷特性下单U型地埋管换热器的换热性能。

1模型的建立

1·1物理模型

单U型地埋管换热器在岩土层中的换热是一个通过多层介质的非稳态导热过程,进入U型管的流体首先与管壁进行对流换热,然后热量通过管壁、回填材料、土壤层层传导,最后散失在土壤中。垂直U型管传热在径向的影响比轴向大得多,所以进行二维的传热模拟已经能够解决相应问题[2]。因此,通过在单U型地埋管换热器上截取一微元段dH,在此微元段内假定进水管和出水管内的温度均保持不变,则在此微元段内轴向方向的传热完全相同。此微元段的传热计算可以用一个平面来表示,建立地埋管换热器的二维传热模型,图1所示为二维模型的网格划分示意图,通过二维截面的推移可得到单U型地埋管换热器的准三维模型。

由于地下传热是一个非常复杂的过程,对此模型简化假定[3-4]如下:①忽略土壤中地下水渗流和热湿迁移而引起的热迁移的影响;②地下岩土的热物性均匀一致;③不考虑岩土沿埋管轴向的传热;④忽略埋管与岩土间的接触热阻,即假定边界处没有接触热阻。

1·2数学模型

管内流体与管壁的传热方程[5]为:

其中,V为流体流速;λ1为流体导热系数;r0为U型管内径;ρf为流体密度;cf为流体比热;Tf为流体温度;Tp为管壁温度。

U型管壁、回填材料、土壤的导热微分方程式[6]为:

2模拟求解

2·1模拟求解软件

Ansys软件是融结构、热、流体、电磁、声学多物理场于一体的大型通用有限元分析软件[7],Ansys热分析基于能量守恒原理的热平衡方程,用有限元法计算各节点的温度,并导出其他热物理参数,可以进行稳态和瞬态传热的分析。An-sys热分析包括热传导、热对流及热辐射3种热传递方式,此外还可以分析相变、有内热源、接触热阻等问题。

2·2模拟方法

在二维传热模型的基础上,采用Ansys热分析软件中有限元方法逐层计算各微元段内地埋管换热器的换热过程,在模拟过程中不考虑U型管底部弯管的影响,认为进水支管与出水支管都是有限长直管,2支管底部的流体温度相同。

如图2所示,设定地埋管换热器进出水管的温度ts和tr、管径、流速v以及地埋管换热器运行的时刻S。由换热器上部向下取一定长度的微元段H1,在S1时刻进出水管内的温度分别为ts1和tr1,计算此微元段内进出水管向周围回填材料传热的平均热流失量qs1和qr1,乘以相应微元段的表面积,即可得出由此微元段向周围回填材料的传热量Qs1和Qr1;同样选取一定长度微元段H2,其进出水温度ts2、tr2根据换热器内的水流量以及上一微元段向周围回填材料的传热量进行计算,此微元段向外的传热量计算方法同上一段;依次类推,直到计算到Hn段,计算得出的温度tsn和trn,当tsn=trn时,计算结束,可以计算得出管道的长度H及各微元段向外的传热量。

在此分析过程中,管段长度取得越小,计算的精确度将会越高。其计算公式为:

其中,m为运行工质的质量;c为运行工质的比热容。

2·3负荷特性选取和输入参数的确定

根据常规的几类建筑负荷特点,选取一类有连续性负荷的建筑,即空调系统24 h运行,如宾馆类空调;另一类是有间歇性负荷的建筑,即一天中空调系统仅工作一段时间,如一般的办公建筑。模拟负荷特性:连续负荷下每天运行24 h,间歇负荷下每天运行8 h。土壤特性以合肥地区为例,其他参数输入如下。

(1)一般的钻井直径为110~150 mm[8],取钻井直径为150 mm,U型管支管间距75 mm,管材为Φ32×3的PE管;其热物性参数为:导热系数λ=0·4 W/(m·K);密度ρ=950 m3/kg;比热容cp=1 100 J/(kg·K)。

(2)土壤的初始温度取18℃,其平均热物性参数[9]:λ=1·6 W/(m·K);ρ=2 200 m3/kg;cp=940 J/(kg·K)。

(3)回填材料为含有30%的混凝土、70%SiO2沙子的混合物,热物性参数[9]:λ=2·1W/(m·K);ρ=2 600 m3/kg;比热容cp=1 300 J/(kg·K)。

(4)U型管内工质为水,水的热物性参数[6]:λ= 0·62 W/(m·K);ρ= 1 000 kg/m3; cp=4 174 J/(kg·K);管内流体流速v=0·6 m/s。

(5)U型管进、出水温度分别设置为30℃、34℃(按机组在夏季运行时模拟)。

2·4模拟结果及分析

图3所示给出了计算时间为10 d,在连续负荷和间歇负荷运行下钻井壁的平均温度变化曲线。

从图3可以看出,在连续负荷作用下钻井壁的平均温度持续上升;在间歇负荷作用下钻井壁的平均温度上下波动,总体呈上升趋势,但上升幅度小于前者;这是由于当换热器工作时释放热量使钻井壁面温度升高,在间歇期热量及时传递到周围土壤中,从而使钻井壁面温度下降。单U型地埋管换热性能曲线,如图4所示。

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图4中纵轴Q为每延米换热量。从图4可以看出,不论是在连续负荷下工作还是在间歇负荷下工作,随着单U型地埋管换热器累计运行时间的增加,其每延米的换热量是持续下降的。在连续负荷作用下,每延米换热量从运行初期的约130 W下降到末期的34 W左右,在连续运行约200 h后基本保持不变;在间歇负荷作用下,虽然每天从运行初期到末期每延米换热量下降很快,但是在整个计算时间内,每天运行末期的每延米换热量下降缓慢,在运行8 d后基本不变,保持在49 W左右。这是因为在间歇期热量及时传递到周围土壤中,同连续负荷作用时相比热堆积小。

图3和图4表明,在地源热泵系统中,建筑负荷的特征会对地下换热器的换热性能造成影响。在地源热泵空调系统设计中,准确地确定地埋管换热器的容量是保证系统经济可靠运行的关键之一[10]。连续负荷与间歇负荷作用下单U型地埋管换热量对比,见表1所列。

为了保证进出水温差,在设计单U型地埋管换热器埋深时应以其稳定后的每延米换热量为依据,可以看出在间歇负荷运行下其埋深约为在连续负荷运行下的70%。

3·结论

通过对不同负荷特性下单U型地埋管换热器换热性能的模拟与分析,得出以下结论:

(1)在连续负荷作用下钻井壁的平均温度持续上升;在间歇负荷作用下钻井壁平均温度上下波动,总体呈上升趋势,上升幅度小于前者。

(2)在连续负荷下运行约200 h后,单U型地埋管换热器换热性能达到基本稳定,每延米换热量为34 W;在间歇负荷下运行8 d后每天运行末期的每延米换热量达到基本稳定,保持在50 W左右。

(3)单U型地埋管换热器在间歇负荷下运行比在连续负荷运行下具有更好的换热效果。

(4)对于需要连续运行的场合,可采用混合式系统;通过合理优化控制使地埋管换热器在间歇工况下运行给土壤一定的温度恢复时间,增强其换热性能,减小埋管长度。

[参考文献]

[1]王勇.动态负荷下地源热泵性能研究[D].重庆:重庆大学,2006.

[2]程群英,罗明智,孙纯武,等.地源热泵夏季性能测试及传热模型[J].暖通空调,2005,35(3):2-6.

[3]刘宪英,胡明康,魏唐棣.地热源热泵地下埋管换热器传热模型的综述[J].重庆建筑大学学报, 1999, 21 (4):107-108.