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无锡东进:垂直埋管换热器数值模型的建立及研究

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1数值模型的建立

1.1假设条件

忽略土壤中水分迁移的影响。忽略U型管管壁与回填材料,回填材料与土壤之间的接触热阻。

忽略地表温度波动对土壤温度的影响,认为土壤温度均匀一致。

#钻孔间距足够大,忽略孔与孔之间的传热影响。

1.2数学模型描述

1.3几何模型

本模型包括的几何体有U型管内的水,U型管,回填土和土壤。钻孔直径为300mm,深60m;U型管内径25mm,管壁厚3.5mm,U型管两管中心距180mm;竖井中心和土壤外表面之间的径向距离为5m.钻孔和模拟范围内的土壤均看成是圆柱体。利用对称性只需取圆柱体的一半建立模型。

1.4热物性参数设置

出口水温实验结果和模拟结果的比较1.5数值模拟方法土壤和回填土均为多孔介质,但根据M.Piechowski[4]的研究传热传质耦合模型与纯导热模型精度近似,因此本文假设土壤和回填土为固体,其中的传热为纯导热。紊流模型采用realizablek-!模型。由于涉及到流体固体区域,在流体固体接触的壁面设置耦合边界条件,对流项差分格式采用QUICK格式,压力速度耦合采用SIMPLE算法,壁面采用标准壁面函数法进行处理。

2模型的实验验证

为验证本文所建数值模型的正确性,根据文献中的物性参数对夏季工况下60m深U型管连续运行24小时的传热进行了模拟,所有的参数均和文献[5]中的参数保持一致。将模拟结果同文献[5]中的实测延米换热量和U型管管壁平均温度随回填材料导热系数的变化关系值进行了比较。

第1个小时U型管出口水温模拟值与实测值的偏差是1.69K,在第24小时是0.72K.即偏差逐渐下降,证明了该模型的正确性。

3模拟结果及讨论

本文将对回填材料,流速,工质进口温度等对地埋管换热器性能的影响进行数值模拟,每次控制单一变量。设定参数如下:进口水温308.15K,岩土初始温度288.6K,日平均室外气温为303.15K,管内流体流速0.7m/s,模拟计算时间为200h.

3.1回填材料对换热器性能的影响

文中分别模拟了5种不同回填材料对埋管换热器性能的影响。垂直U型管的单位延米换热量与回填材料的导热系数成正比。回填材第19卷第6期赵红军等:地源热泵垂直埋管换热器性能的数值模拟研究37料导热系数为0.7W/(mK)比4.7W/(mK)的单位管长换热量少26W/m,同时,当回填材料的导热系数为0.7W/(mK)时,增大导热系数可以迅速提升地埋管的换热量,而回填材料导热系数大于等于1.7W/(mK)时,曲线上升的趋势逐渐变缓,换热量的增幅逐渐变小。随着回填土导热系数的增大,U型管管壁平均温度逐渐减小,变化趋势和单位管长换热量相反,这是由于回填土导热系数的增加,增强了埋管向远端排热的能力,即管壁温度逐渐降低。这表明:选择导热系数较大的回填材料能提高换热器的换热效率。

3.2管内流速对换热器性能的影响

文中分别模拟了5种不同管内流速对埋管换热器性能的影响,垂直U型地埋管的单位延米换热量随流速的增加而增大。当流速大于等于0.4m/s时,单位延米的换热量增加缓慢,而当流速小于0.4m/s,换热量急剧下降。所以,当流速较小时,增大流速可以迅速提高换热量,当流速增大到0.4m/s以后,继续增大流速单位延米换热量增加的幅度变小。U型管管壁平均温度和单位延米换热量随流速变化的趋势一致。

3.3进口温度对换热器性能的影响

进口温度对地埋管换热器换热性能的影响非常明显,进口温度为308.5K,比302.49K的埋管单位延米换热量高23.34W/m,但是埋管平均管壁温也高6.05K.随着进口温度的增加,单位延米换热量随之增大,且成正比例关系。这是由于地埋管换热器中热流体与周围土壤的传热温差增大,换热效果更显着。U型管管壁平均温度和单位延米换热量随流速变化的趋势一致,几乎成正比例关系。

3.4不同埋管管材对换热器性能的影响

本文计算了不同U型管管材对换热器性能的影响,可知,随着埋管导热系数的增大,埋管单位管长的换热量明显增大,在相同条件下,高密度的聚乙烯管换热量比普通的PVC管高大约19.76.埋管从土壤中的取热量明显增多,但增大的幅度随埋管导热系数的增大而减小。所以增大埋管导热系数有利于埋管换热。随着埋管导热系数的增大,埋管管壁平均温度逐渐增大。

4结论

本文通过建立地埋管系统的三维数值模型,研究了回填材料,埋管进口水温,埋管导热系数,管内换热量和U型管管壁平均温度随U型管流体进口温度的变化关系质流速对换热器性能的影响,得到主要结论如下:地埋管换热器的单位延米换热量随着回填材料导热系数,管内流速,进口水温,埋管的导热系数的增加而增大,且和进口水温呈正比例关系。

埋管管壁的平均温度随着管内流速,进口水温,埋管的导热系数的增加而增大,但随着回填材料导热系数的增加而减小。!通过合理的控制各种影响因素,可以使埋管换热器达到最佳性能。