文档介绍：U形垂直埋管换热器换热性能试验研究
U形垂直埋管换热器换热性能试验研究
吴晓寒,孙友宏,李小杰,王庆华
吉林大学建设工程学院,长春130026
         摘要:在地源热泵系统中,埋管换热器的换热性能与很多因素有关。本文通过地源热泵试验台,参照国外地下埋管换热器岩土温度场的求解方法,采用线热源理论及热阻原理,将U形垂直埋管换热器等效转化为单管换热器,对相关影响因素进行了分析与实验研究。实验结果表明,循环流体的流速对换热器换热效果影响较大,流速维持在2·5m3/h左右内比较合理,管道材料的热物性对换热影响不大,但在回填材料中加入砂砾可以显著提高换热量,在北方寒冷地区应尽量避免系统的长时间连续运行。
         关键词:垂直埋管换热器;换热性能;线热源;影响因素
         中图分类号:TK523 文献标识码:A
         0 引言
         以地下土壤作为热源或热汇的地源热泵系统具有节能、环保、运行稳定可靠等优点,在欧美发达国家已经大量应用。近年来中国国内的众多学者也对此进行了大量的研究和探索,但从目前的使用情况来看,该系统仍存在不少缺点[1]:地下换热器的换热性能受土壤性质和连续运行时间影响较大, 同时由于土壤热导率较低,地下换热器与周围土壤的传热量较少,与空气源热泵相比,土壤源热泵地下换热器的设计换热面积较大。因此,地下埋管换热器换热性能研究一直是土壤源热泵系统研究的主要方向。
         针对影响地下埋管换热器换热性能的几大主要因素,如埋管周围回填土的导热性能、埋管材料的导热性能、管内流体的流量、系统的运行方式等笔者通过地源热泵试验台及现有的传热模型对其进行了定性分析,为日后地源热泵系统的推广和应用提供了参考依据。
         1 垂直埋管换热器传热理论模型
         1·1 垂直埋管换热器传热热阻模型
         由于热泵系统垂直埋管换热器传热问题的复杂性,迄今为止还没有普遍公认的模型和规范。目前应用比较广泛的传热模型主要有V·C·Mei传热模型、GSHPA(InternationalGround-sourceHeatPum Association)模型和NWWA(NationalWater-We Association)模型3种[2]。但对实际工程,得到详细的模拟和分析所需的全部数据是不现实的。由于埋管换热器内流体与土壤之间的换热是一个非稳态、复杂的传热过程,受众多因素制约,现有的设计计算方法都是基于简化的模型。
         地源热泵系统无论是在冬季供暖或是夏季制冷运行,虽然两者热流的方向是相反的,但其传热模型是相同的。热流从管内流体传到远离钻孔的土壤层中主要需要克服以下4部分热阻:①管内流体和 U形管道内壁间的对流换热热阻RL;②U形管道管壁的导热热阻RG;③U形管道外壁和钻孔孔壁间回填材料的导热热阻RH;④钻孔孔壁到土壤层远处的热阻RT。
         1·2 对流换热热阻分析
         根据牛顿冷却公式,对流换热的热阻RL为:
         式中:dn为U形埋管内径(m);h为管道的 表面传热系数(W/m2·K)。
         表面传热系数的大小与传热过程中的许多因素 有关。它不仅取决于管内流体的热物性以及换热表 面