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浅谈地下水的流动对地下换热器的影响

发布时间:2012-10-12 发布人:admin
    我国地域宽广,蕴藏着丰厚的地表浅层地能资源(一般小于400m),因为土壤源热泵本身的优越性,以及大家对环保、节能认识的日益注重,土壤源热泵在我国必将有着宽广的发展前景。土壤耦合热泵体系因其运用可再生的地热能,被称为是2l世纪的一项最具有发展前途的具有节能和环保含义的制冷空调技能,而蓄冷技能则是为缓解电力供应严重局势,在以平衡电网峰谷负荷、削峰填谷为意图的局势下敏捷发展起来的一种改动电力需求侧用电办法的空调技能。鉴于此,哈尔滨工业大学提出了一种合适于以空调负荷为主、采暖负荷为辅区域的全新的热泵型空调体系一土壤蓄冷与土壤耦合热泵集成体系。该体系在建筑物空调时段,进行周期性的蓄冷、释冷、停机运转,盘管周围土壤也随之发作周期性的冻融相变;冬天可供应建筑物所需的热量。文献[1]从前对这种体系在热传导机制下进行过研讨,
    本文即对准这种体系,进一步研讨渗流对地下管群换热器换热的影响状况。
    当前国内外关于竖直U型埋管换热器的传热模型都是依据纯导热的模型,尽管许多研讨者和工程技能人员认识到地下水渗流可以对地下埋管换热器的换热才能发作重要的影响,也提出过一些定性的剖析,可是因为该问题的杂乱性,至今很少见到深化的理论剖析,现有的地下埋管换热器描绘软件首要依据线热源理论、圆柱热源理论、能量守恒方程等来树立操控方程,也都没有思考地下水渗流的影响。
    但在美国明尼苏达州,从前呈现现场测验的土壤导热系数极度偏高,后经剖析是由地下水活动惹起的_2j。英国的一栋三层办公楼夏日管内流体均匀温度测验值比模仿值低许多,测验值只到达3℃,经剖析是因为地下水活动使管周围的温度下降而惹起的_3j。此外,在几个现场测验和选用人工地下水活动的模仿实验中也发现了类似的表象_4j。因而,本文对准土壤蓄冷与土壤耦合热泵集成体系,进一步研讨地下水渗流对地下管群换热器换热的影响。
    1 双功用地下管群换热器
    土壤蓄冷与土壤耦合热泵体系首要使用于冬夏负荷不平衡的区域,在夏日对土壤进行蓄冷、释冷,使埋管换热器兼作换热器和蓄冷设备用,冬天对建筑物供热。因为冬夏对地下管群换热器的需求各不相同,夏日需求管距离较小,有利于蓄存高品质冷量;冬天为了满意供暖需求,防止时刻久出力缺乏表象,就需求较大的管距离。本文即对准这种状况,冬夏选用不一样连管办法组成不一样的地下管群,模仿剖析地下管群换热器的传热机制。冬夏选用的地下管群换热器模型见图1示,夏日选用37根管联供,夜间lOh蓄冷,下降土壤温度;白日8h释冷,供应建筑物空调运用,6h停机。冬天选用图中所示的1、20、23、26、29、32、35共7根管进行10h供暖.依据文献可知,长江中下流区域地下水位线较高,其间上海区域的地下水位线均匀为1.0-1.5没.因而本文在核算有渗流状况时将地下群换热器思考成全部坐落饱满区内.  
    2 热渗耦合效果下的传热模型
    地下管群换热器的传热是一个杂乱的非稳态传热进程,此进程所触及的几许条件和物理条件很杂乱,一般需求进行较长时刻的运算。为便于剖析,须对问题做以下必要 的简化 将土壤当作一个均匀的、各向同性的多孑L介质,疏忽质量力;不思考热辐射影响和粘性耗散;流体与固体霎时到达局部热平衡,即 (,Y,t)=T( ,Y,£)=T( ,Y,t),其间,下标f和s别离对应于流体和固体。将两管脚传热相互影响的笔直u型管换热器等效为一当量直径的单管。
    在非等温渗流中,一个物质体系或空间体积内含有固体和流体两局部,在研讨实践非等温渗流时要把二者结合起来构成一致的能量方程,令土壤的孑L隙率为 ,则单相流体非等温渗流的能量方程为:
                   
    其间:(pc。)。——多孔介质(包罗水)的总热容;后 总热导率;q ——总内热源; ——热容比;口 ——总热扩散系数。
    对准体系夏日蓄冷、释冷运转进程中存在的固液相变问题,本文选用了固相增量法。在土壤冻融相变进程中存在着冻住区、未冻住区及两相含糊区,该两相含糊区约束在冻住温度 的等温界面和冻住温度 .的等温界面之间,因而界说无因次量一固相率 为土壤冻融相变含糊区中冻土所占的质量成分,即当. =0时,土壤处于未冻住状况;当.厂目=l时处于冻住状况;而当0<厂目<1时,土壤处于两相含糊区 j。一起假定固相率的添加(或减小)与土壤水相变潜热的开释(或吸收)量成正比,而且在土壤的冻融相变温度区间 ∈[ , ]内,土壤水的相变潜热是均匀地与温度呈线性地开释与吸收,如图2所示。
      若是别离对土壤与盘管温度进行求解,则二者接壤面上的鸿沟条件应包罗温度及暖流密度两类条件。盘管内壁与流体接壤面相同也遭到流体与壁面之间相互效果的制约,这种热鸿沟条件是由热量交流进程动态的加以决议而不能预先给定,对准这种耦合传热问题,可以先假定接壤面上的温度散布,对其间一个区域进行求解,得出耦合鸿沟上的局部暖流密度和温度,然后再求解另一区域,得出界面上新的温度散布,再以此为根底从头核算第一个区域,重复核算以致收敛。本文为了防止这种重复迭代核算,选用了整场离散、整场求解办法,界面上的当量热扩散系数选用谐和均匀法 ]。因为不一样介质相接壤面两边物质的热容不持平,为了满意耦合界面上暖流接连条件,选用“虚拟密度法”处理这个问题_8 J。由上述得到地下埋管换热器非稳态通用操控方程为:   
    则上式与(9)、(10)、(11)、一起构成地下埋管换热器非稳态操控方程,其间,角标i为s, ,P,别离对应于土壤、管内流体和盘管;坐标 i为 或 ,别离对应于土壤或管内流体。公式(12)为体系运转进程中的操控方程,当体系停运时,管内流体处于停止状况,流体与管壁间以导热的办法进行传热,此刻管内流体的能量平衡方程为:
    则上式与(5)、(7)、(9)、(10)、(11)一起构成地下埋管换热器停运时的操控方程。
    式中, ——土壤干基含水量,kg/kg;“ ——管内流体流速,m/s; ——水的凝聚潜热,J/kg,H=334560J/kg;7"o——土壤、盘管及管内流体的初始温度,oC;Ti——各介质的温度,oC;Tj ——盘管进口水温,oC;I。d——土壤干密度,kg/m3; 。——盘管导热系数,k m3;I。i,(c )i——介质i的密度k m3及比热J/(kg·oC); ,Cp——土壤两相区中冰水混合物的导热系数W/(m·oC)及比热J/(kg·c【=)。
    本文对准地下埋管换热器管群进行模仿剖析,选用整场模仿进行全体求解的办法。对准地下埋管换热器物理模型的杂乱性,选用非结构化网格进行区分,有限容积法对方程离散,Gauss.Seidel点迭代法进行求解。
    为了比拟有渗流与无渗流两种状况,本文别离对冬天供热工况、夏天空调工况别离进行核算剖析,关于冬天供热工况,体系接连运转60d、每天供暖10h;关于夏天工况,选用了15d预蓄冷,然后正常运转90d、每天10h蓄冷、8h释冷、6h停机的运转形式。
    3 地下管群换热器模仿剖析
    3.1 渗流对体系运转特性的影响
    关于冬、夏两种工况,核算时选用的各项参数见表1。
    3.1.1 有渗流与无渗流状况下的土壤温度场
    有渗流的状况下,地下埋管换热器的传热办法有两种:一是多孔介质骨架和孔隙中地下水的导热;二是地下水渗流发作的水平对流换热。图3a、图3b别离给出了夏日工况下能否有渗流两种土壤状况下前期预蓄冷第15天第24小时的土壤温度场。从图中可以看出,无渗流时的土壤温度场是近于中心对称的,但因为渗流效果,有渗流的土壤温度场将发作变形,将蓄进的冷量都集合到水流下流。但无论哪种状况,预蓄冷后局部盘管周围的土壤均现已结冰,愈加有利于这种夜蓄日供体系的运转。图3c、图3d描绘了冬天工况下正常运转第6o天的土壤温度场。相同可以看出,无渗流状况下的土壤温度场是中心对称的,有渗流状况下的土壤温度场发作变形,而且有渗流时的盘管周围土壤温度相对较高,更有利于冬天供热工况。
    3.1.2 渗流对盘管换热量及出水温度的影响
    1)夏日工况成果剖析
    a)有无渗流时盘管的换热状况
    图4a给出了夏日空调工况下有无渗流时地下埋管换热器的逐日蓄冷量、逐日释冷量状况,从图中可以看出,两种状况下的日蓄冷量在前期预蓄冷时刻都逐步下降,进入正常运转时刻后,初期逐日蓄冷量都逐步添加,而逐日释冷量都逐步很小,但很快到达平衡。此外,因为在有渗流状况下存在的地下水对流换热添加了盘管的冷量丢失,所以从图4a中也可以看出,埋在有渗流土壤中的盘管日蓄冷量高于埋在无渗流土壤中的状况,而前者的日释冷量却低于后者,因而有渗流土壤中的盘管日释冷率(日释冷量/日蓄冷量)仅到达62.25%,而无渗流土壤中的盘管日释冷率能到达89.10%,是前者的1.43倍。图4b给出了夏日空调工况下有无渗流时地下埋管换热器运转到达稳态后的盘管出水温度。两种状况下的盘管出水温度跟着运转时刻添加都逐步升高,有渗流状况下的盘管出水温度从3.6l℃升高到8.19℃ ,增幅到达127%;无渗流状况下的盘管出水温度从2.73℃升高到7.74℃,增幅到达183%。而且,有渗流状况下的盘管出水温度均高于无渗流状况下的温度值。
    由此可见,若地下埋管换热器埋在有渗流的土壤中而未思考渗流的影响会带来很大的差错,因而在地下埋管换热器的描绘核算中应依据土壤状况区别对待。
    b)有无渗流时盘管方位对换热的影响
    在夏日工况下,为了蓄冷、释冷进程能杰出运转,因而地下埋管换热器管群的37根地下埋管距离很小,为0.6m,而从图5可以看出,地下盘管因为方位不一样作业才能亦不一样。关于无渗流工况来说,盘管的作业才能是近于中心对称的,中心和最内一圈盘管的释冷率几近持平,约为1.075。这首要是因为在管群蓄冷进程中,内侧盘管冷丢失相关于外侧盘管而言较小,所以内侧盘管的日蓄冷量相对较低,而日释冷量却相对较高;中心一圈盘管的日释冷率均匀为O.981,而最外一囤盘管的日释冷率均匀为0.773,最外圈的盘管的日释冷率偏低首要是因为外圈盘管的外侧都是原状土壤,所以冷丢失相对而言较大形成的。此外,关于有渗流工况来说,因为地下水活动的存在,水流下流的节点日释冷率较高。例如:3个峰值都呈如今下流节点6、7、l6、17、18、33、34处。由此可以看出,地下水活动将蓄冷量逐步转移到下流区域,因而咱们也可以思考在夏日选用不一样的联管办法以供应不一样用户的需求。        
    但总的来说,关于这种新的夏日运转办法,即夜蓄日供办法来说,无论盘管埋在有渗流的土壤中仍是无渗流的土壤中,夏日运转时日释冷率都较高,但有渗流状况下的地下埋管换热器在夏日空调工况下的运转状况要劣于无渗流状况。
    2)冬天工况成果剖析
    关于冬天供热工况而言,地下水活动增强了盘管周围土壤的恢复才能,因而相关于无渗流土壤会有较强的供热才能。图6给出了有无渗流状况下盘管的逐日取热量,可以显着看出,有渗流时分的盘管日取热量较高,而且更易到达稳态供热工况。图7给出了两种土壤状况下的盘管出水温度状况。无渗流土壤中的盘管均匀出水温度从7.3l降到6.42,降幅为12.2%;有渗流土壤中的盘管均匀出水温度从7.50降到6.78,降幅为9.6%;而且,有渗流土壤中的盘管均匀出水温度均匀比无渗流土壤中的盘管均匀出水温度高3.83%。
    3.2 渗流速度对体系运转特性的影响
    关于冬、夏两种工况,核算时选用的各项参数见表1。别离挑选15m/a、30m/a、60m/a三种渗流速度进行比照剖析。
    3.2.1 夏日工况成果剖析 
    跟着渗流速度的添加,地下水活动带来的冷丢失逐步增大。从图8中可以看出,与渗流速度为15m/a比较,当渗流速度添加到30m/a时,日蓄冷量添加了4.3%、日释冷量下降了8.8%;当渗流速度添加到60I/1//t时,日蓄冷量添加了l4.96%、日释冷量下降了l8.4o%。因而,关于这种新的夏日运转办法,实践使用中应思考尽量将地下埋管换热器埋在渗流速度低的土壤中,以期杰出运转。    
    图9表明了3种渗流速度状况下的盘管出水温度状况。盘管出水温度跟着运转时刻的延伸而逐步升高,渗流速度为15m/a状况下的盘管均匀出水温度为6.43cC,而当渗流速度增大到30m/a、60rrda时,盘管均匀出水温度别离升高了0.49oC、1.16oC,增幅别离到达了7.62%、18.30%。
    3.2.2 冬天工况成果剖析
    从图l0可以看出,跟着地下水流速的添加盘管的逐日取热量逐步添加。而且渗流速度越高,体系到达稳态的时刻越短,因而将地下埋管换热器埋在渗流速度大的土壤中可以增强其在冬天运转时的换热才能,更有利于实践工程。        
    4 结 论
    地下埋管换热器的传热是一个杂乱的、非稳态的传热进程,本文依据热渗联合效果下的传热模型,选用整场离散、全体求解办法求得地下埋管换热器、管内流体及周围土壤的数值解,深化剖析了渗流对地下埋管换热器传热的影响。颠末剖析可知,关于夏日蓄冷、释冷的运转办法,地下水活动添加了体系冷丢失,对蓄冷晦气;而关于冬天工况,渗流增强了地下埋管换热器周围土壤的恢复才能,对地下埋管的吸热非常有利,因而传统的地下埋管热泵体系宜埋在有渗流的土壤中。而土壤蓄冷与土壤耦合热泵体系首要合适使用在空调负荷为主、采暖负荷为辅的区域,因而合适于在地下水流速较小或无渗流的土壤中使用,而且可以依据建筑物的实践热负荷在冬夏挑选不一样的连管办法。
    若是盘管埋在有渗流的土壤中,而在描绘核算中没有思考渗流的影响,则会带来必定的误差,形成盘管容量过大或过小。此外,渗流对这种新体系的冬夏运转工况影响不一样,因而实践使用中还应注意到渗流的不一样影响。
    实践上笔直地下埋管换热器穿过不一样的地质层,包罗非饱满区和饱满区,对此咱们应该分层予以思考,因而在后续作业中将进一步对不一样的地下水位线状况进行剖析。换热机组,换热器,热交换器,汽水混合器,乏汽回收,凝结水回收,喷射器,汽水换热器
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