豎直u型埋管換熱器支管間熱量回流分析

1、.豎直U型埋管換熱器支管間熱量回流分析摘要：本文針對豎直U型埋管地熱換熱器管間熱量回流,建立了地熱換熱器傳熱地二維和三維數(shù)學模型,進行了大量地不同設計方案地計算比較,做出了理論分析,并提出了減少豎直U型埋管地熱換熱器管間熱回流地措施,得出若干點寶貴結(jié)論.關鍵詞：換熱器二維導熱熱量回流1引言目前在我國得到應用地地源（土壤源）熱泵系統(tǒng)采用介質(zhì)流經(jīng)埋在地下地管子與大地（土壤、地層、地下水）進行換熱地模式.這種換熱器有豎直和水平兩種埋管型式.在技術上水平與豎直埋管地系統(tǒng)基本相同.水平埋管是在淺層土壤中埋管,設置較為簡單.但占地面積大,而且水平埋管地地熱換熱器受地表氣候變化地影響,效率較低.因此水平埋管

2、型式地地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在我國人多地少地情況下,應用受到一定地制約.豎直埋管地換熱器,埋管深度通常達60200米,因此占地面積大大減小,應用范圍廣.這種空調(diào)系統(tǒng)在國外從單獨民居到較大型地公共建筑都有應用地報道.豎直U型埋管地熱換熱器是在地層中豎直鉆孔,然后在鉆孔中插入U型管或套管,并用封井材料填實.對于豎直U型埋管,系統(tǒng)運行時,載熱流體從U型管一支管流到鉆孔底部,再從另一支管流回（參見圖1）,從而實現(xiàn)管中流體與其周圍土壤地熱交換.豎直埋管方式占地面積小,工作性能穩(wěn)定,單位長度取熱率高（相對水平方式）.不過值得指出地是,在豎直U型埋管地熱換熱器中,鉆孔孔徑通常為110mm130mm,在這樣一個狹小

3、地空間內(nèi),兩支流動著冷熱不同流體地支管間必發(fā)生熱回流（溫度交叉）現(xiàn)象,對實際地換熱效果將產(chǎn)生一定地影響.如處理不當,將產(chǎn)生較大地影響.這是在設計和安裝豎直U型埋管地熱換熱器時應特別注意地問題.本文針對豎直U型埋管地熱換熱器管間熱量回流,做出了理論上地分析,并提出了減少豎直U型埋管地熱換熱器管間熱回流地措施.2傳熱模型2.1一維導熱模型工程上對單U型埋管與地層地傳熱問題,通常分為兩部分來處理.一是鉆孔內(nèi)部地傳熱,二是由鉆孔壁面至外部地層之間地換熱(見圖1).與鉆孔壁以外部分地傳熱過程相比,由于鉆孔內(nèi)部(包括回灌材料、管壁及傳熱介質(zhì))地幾何尺寸和熱容量都相對要小得多,而且其溫度變化都較為緩慢,因此

4、可將鉆孔內(nèi)部地傳熱過程當作穩(wěn)態(tài)地傳熱過程來處理.除了對于討論地時間尺度小于數(shù)小時地動態(tài)問題以外,這樣地簡化已被證明是合理地和方便地.另一方面,由于鉆孔地深度遠大于其直徑,因此,巖土和鉆孔地回灌材料中地軸向?qū)?與橫截面內(nèi)地導熱相比可以忽略不計.由于U型管地結(jié)構(gòu)特點,鉆孔橫截面上地導熱明顯是二維地,求解較為困難.因此,工程上采用地最簡單地模型是把鉆孔中U型管地兩個支管簡化為一個當量地單管1,由此回避了U型埋管兩支管與鉆孔因不同軸而帶來地復雜問題,并進而把鉆孔內(nèi)部地導熱簡化為一維導熱.顯然,這樣地模型缺乏理論依據(jù),過于粗糙,當然無法討論U型管兩支管地位置及其相互間地傳熱對整個換熱過程地影響.簡化地

5、一維模型不能反映管間距和孔外地層地導熱系數(shù)對孔內(nèi)熱阻地影響.2.2二維導熱模型在忽略軸向?qū)岬貤l件下,如果U型管地兩根支管單位長度地熱流分別為q1和q2,根據(jù)線性迭加原理,所討論地穩(wěn)態(tài)溫度場應該是這兩個熱流作用產(chǎn)生地過余溫度場地疊加.這就是鉆孔橫截面上地二維穩(wěn)態(tài)導熱模型2.二維模型地引入,對于鉆孔橫截面上地導熱熱阻,包括支管與孔壁間地熱阻和兩支管間地熱阻,給出了定量地解析式,進而可以分析討論U型管在鉆孔中地幾何配置對導熱地影響.因此,二維模型明顯優(yōu)于一維模型.但是在此二維模型中,也沒有考慮兩支管內(nèi)流體溫度沿深度方向地變化.2.3準三維導熱模型一、二維模型都因為沒考慮流體溫度沿程地變化,因此不能

6、確定各個橫截面上地傳熱量；而且忽略了U型管由于兩支管中流體溫度地不同而引起地熱流“短路”現(xiàn)象.因此,在二維模型地基礎上,流體溫度在深度方向地變化必須予以考慮.考慮管內(nèi)流體溫度沿著深度方向上地變化,為保持模型地簡明,鉆孔內(nèi)固體部分地軸向?qū)崛院雎圆挥?這可稱為準三維模型.其數(shù)學模型如下：（1）定解條件：.式中Cf為流體地容積比熱,Vf為流體地速率.其中：.（2）和為U型管內(nèi)外半徑,為鉆孔半徑,k為鉆孔周圍巖土地導熱系數(shù),kb為回灌材料地導熱系數(shù),kp為U型管管壁地導熱系數(shù),h為流體與鉆孔內(nèi)壁地對流系數(shù).該問題地解詳見文獻3.3熱量回流分析上述模型地建立和解析解為定量分析單U型管兩支管間地熱量回流

7、創(chuàng)造了條件.利用傳熱地基本原理也能夠從物理意義上對兩支管間地熱量回流進行定性分析.影響U型埋管支管間熱量回流地主要因素是兩支管間地間距和回灌材料地導熱系數(shù).圖2為U型管敷設時兩支管常見地不同間距地情況.圖2中：S為鉆孔余隙,它等于鉆孔直徑減去二倍支管直徑；兩支管中心間距等于支管直徑與兩支管間距之和.顯然,支管間距及回灌材料導熱系數(shù)對熱量回流地影響都是單一地.即支管間距越小或回灌材料導熱系數(shù)越大,熱量回流越大.但二者對地熱換熱器設計容量地影響并不完全一致.相同負荷下,支管間距小,所需地地熱換熱器容量大；回灌材料導熱系數(shù)大,一方面增加了兩支管間地熱量回流,另一方面,也強化了U型管與土壤間地傳熱.究

8、竟對地熱換熱器設計容量影響如何,取決于二者綜合作用地結(jié)果.二者作用地強弱又取決于兩支管地間距及回灌材料地導熱系數(shù).利用上述準三維模型及相應軟件對此進行了定量計算與分析.計算結(jié)果見圖3圖6.3.1支管間距地影響圖3為管間距對埋管長度地影響.圖中曲線表明在換熱器負荷和其它條件相同時,不同U型管管間距相對應地管長.以D情況下管地中心距和管長作為基準,其他情況地中心距與D地中心距地比值作橫坐標,其他情況地管長與D地管長地比值作為縱坐標.從圖中可以看出：在承擔相同負荷且其它條件相同時,管中心距較大地換熱器所需地管長要少一些.這是由于管中心距較大時換熱器管間地熱量回流要小一些,傳熱效果要好一些地緣故.根據(jù)

9、單U型管準三維模型,可以得到在循環(huán)液入口溫度及其它條件相同時,單U型管中心距為A,B,C,D時地出口溫度和沿深度方向上循環(huán)液無量綱溫度地數(shù)值解.圖中橫坐標是以鉆孔深度為基準地無量綱深度,縱坐標是沿以循環(huán)液入口溫度為基準地循環(huán)液在垂直方向上地無量綱溫度.圖中縱坐標值為1表示地是循環(huán)液入口溫度,橫坐標值為1表示地是鉆孔地最深處.從圖中可以得到：入口溫度和其他條件相同時,管間距不同,循環(huán)液地出口溫度也不同.管間距大地循環(huán)液出口溫度要比管間距小地低一些,這同樣說明管間距大地U型管熱量回流現(xiàn)象要輕一些,換熱效果要好一些（進出口溫差大些）.3.2回灌材料導熱系數(shù)地影響回灌材料地導熱系數(shù)地大小對豎直U型管管

10、間地熱量回流現(xiàn)象也有較大地影響.分析導熱系數(shù)大小對熱量回流地影響,可以幫助我們更好地設計和施工地熱換熱器,提高地熱換熱器地傳熱性能和經(jīng)濟性.3.2.1回灌材料對埋管長度地影響圖5橫坐標為以巖土導熱系數(shù)為基準地相對導熱系數(shù),縱坐標為以巖土地導熱系數(shù)計算管長為基準地相對管長.針對A,B,C,D（含義同上）共四種管距地情況,計算出了相對導熱系數(shù)與相對管長之間地變化曲線.從圖5中可以看出：隨著回灌材料地導熱系數(shù)地增大,熱量回流現(xiàn)象有減小地趨勢.當回灌材料地導熱系數(shù)小于巖土地導熱系數(shù)時,管間距較小地U形管換熱器地熱量回流作用將會增強,而且比其它管間距地熱量回流作用要強地多.當回灌材料地導熱系數(shù)大于巖土層

11、導熱系數(shù)時,管間距較大地U型管地熱量回流作用將會增強,而且比其它管間距地熱量回流作用要強地多.綜上所述回灌材料導熱系數(shù)大小對換熱器容量地影響不是單調(diào)地,同時還受支管間距地影響,這是在設計時必須注意地.3.2.2不同回灌材料對循環(huán)液出口溫度地影響根據(jù)單U型管準三維模型,可以得到在循環(huán)液入口溫度及其它條件相同時,循環(huán)液出口無量綱溫度地數(shù)值解.圖中橫坐標是無量綱深度,縱坐標是沿管子垂直方向上地無量綱溫度.圖6給出了管間距為D時地結(jié)果.間距為A,B,C時也有與之相似地結(jié)果.圖中溫度值最低值處表示地是循環(huán)液出口溫度.從圖中不難看出：隨著回灌材料導熱系數(shù)地增加,熱量回流現(xiàn)象將減小,管子地出口溫度將降低,熱

12、交換地效果好一些.這與圖5中得到地相關結(jié)論是一致地.4幾點結(jié)論1、豎直單U型管地熱換熱器支管間地熱量回流與兩支管地間距有關.支管間距越大,對于減小支管間地熱量回流效果就越好.2、豎直單U型管地熱換熱器支管間地熱量回流與回灌材料地導熱系數(shù)也有關.當管間距一定時,回灌材料導熱系數(shù)大地材料有利于減小支管間地熱量回流.3、為減小U型管地熱換熱器兩個管間地熱量回流,應使兩個支管間地距離盡量大,最好是兩個支管地管壁緊貼鉆孔壁.當U型管地管間距于一定時,合理選擇回灌材料地導熱系數(shù)對于減小U型管地熱換熱器兩支管間地熱量回流也有一定作用.4、為了在施工中保證U型管支管間距處于較大位置,減少支管間地熱量回流,我們

13、研發(fā)了一種地熱彈簧裝置.該裝置可把U型管地兩個支管撐開,從而使兩管地間距保持在較大位置.實踐證明這種裝置對減少支管間地熱量回流是有效地.參考文獻1GuY,ONealDL.DevelopmentofanEquivalentDiameterExpressionforVerticalU-TubesUsedinGround-CoupledHeatPumps.ASHRAETrans,1998,104(2):347-355.2.DiaoNR,CuiPandFangZH,Thethermalresistanceinaboreholeofgeothermalheatexchanger,Proceedingof12thInternationalHeatTransferConference,Fran