垂直U型管换热器应用的运行效率

更新日期:2012-11-20

    采用有限元方法对土壤的温度场及U型埋管换热器的热流量分布进行了分析,应用ANSYS软件建立有限元模型模拟换热器的传热,分析土壤的热物性、U型换热器两管间距对U型管换热器热干扰的影响,埋管周围土壤温度呈非稳态分布.作者主要是针对钻孔内的土壤温度变化情况进行了研究,钻孔外土壤温度场的变化没有作深入的探讨.目前针对钻孔外周围土壤的温度场研究的较少,笔者针对单U型管建立数学和物理模型,利用数学软件MATLAB中的PDETOOL进行求解,研究埋管周围温度随时间的变化规律,对垂直埋管式系统的设计提供依据。
    对土壤进行热物性的测试数据,参数如下
    (1)岩土的导热系数为1·43W /(m·K);密度为2 200kg/m3;比热容950J/(kg·K).
    (2)埋管内流动介质为水;密度为1 000kg/m3;比热容为4 200J/(kg·K).
    (3)管内流量为0·000 5m3/s,埋管深100m.
    (4)埋管管材为PE管,导热系数为0·05W /(m·K);U型管尺寸为32mm×3mm;钻孔直径110mm.
    (5)热流密度为q1=350W /m2.
    在夏季工况下,应用数学软件MATLAB求解式(2).在制冷工况下模拟了土壤源热泵连续运行时地下埋管周围土壤的温度分布情况.笔者模型以等效管中心为轴,10m为半径,选取距地面30m深处土壤温度作为初始温度,为16℃.
    在夏季制冷工况下,随着热泵机组的不断运行,埋管中的传热介质通过管壁向土壤放热,导致埋管周围土壤温度升高,这时远边界土壤未受影响,保持土壤初始温度,由于远、近土壤层存在温差,埋管近端土壤把热量传向土壤的远端.这时必然存在一区分土壤是否受扰动的界面,则定义此界面到等效管轴心的水平距离为热作用半径。
    U型管换热器
    随着热泵运行时间的增长,埋管周围土壤温度逐渐升高,热作用半径逐渐增大,当热泵运行10h后,只有靠近埋管周围的土壤温度有所升高,热作用半径为0·5m,土壤温度最高达到28·5℃.当热泵运行24h后,热作用半径扩大到0·8m,埋管周围土壤温度最高达到31℃。热泵运行240h(10d)后,热作用半径扩大到约为3·3m,土壤温度最高达到37℃.热泵运行480h(20d)后,热作用半径进一步扩大,约为4·4m,埋管周围土壤温度最高达到39℃.当热泵连续运行2160h(90d)后,土壤热作用半径为10m,土壤温度最高位45℃.工程中地埋管中传热介质进口温度为42℃,出口温度为37℃,埋管周围土壤温度37℃,比埋管中传热介质高2℃,传热介质不能从土壤中汲取冷量,所以热泵连续运行最长时间不超过10d.热随着埋管周围温度逐渐升高,埋管中换热介质与土壤温度差越小,从而换热量减少,不利于系统运行,所以土壤源热泵系统应采用间歇运行.由图7可以看出热泵运行一个夏季(按90d计算),热作用半径为10m.由于土壤的热作用半径范围以及不同地区的土壤性质不同,在同样的条件下,热作用半径大小不同.因此在设计地源热泵系统地下埋管换热器时布管应注意这一点,以免管井之间产生热干扰,从而影响热泵系统的运行效率。


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    编辑:黄黄
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