不同渗流条件对竖直埋管换热器的影响分析_中国暖通空调网 - 技术交流
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热泵·论文

不同渗流条件对竖直埋管换热器的影响分析
2018-02-27 | 中国暖通空调网 |【
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王 勇,焦玉洗
1. 重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室;2. 重庆大学 低碳绿色建筑国际联合研究中心

[摘 要]地下水渗流在一定条件下可改善竖直埋管换热器的换热性能,提高地源热泵系统的能效。因此,在对地埋管换热器换热性能影响分析中不能忽略渗流的影响。以多孔介质传热传质理论为基础,建立了三维单孔竖直埋管换热器与岩土热渗耦合的换热模型。以渗流速度、孔隙率及渗流层的深度为影响因素,对地埋管换热器换热性能进行了数值计算分析,获得了以上参数对地埋管换热性能的影响规律。以某实际工程的热响应测试数据为基础,通过对建立的热渗耦合模型进行数值计算,获得了地埋管换热性能的数值计算结果。实验测试与计算结果表明,该模型的数值解与测试值吻合度较好,可应用于实际工程。

[关键词]地下水渗流;地埋管换热器;多孔介质;CFD

以节能环保为特征的土壤源热泵技术是具有较大发展空间的空调技术,正受到各个国家和地区越来越多的关注。土壤源热泵系统性能受多方面因素的影响,其中,地埋管换热器与岩土间传热过程是关键影响因素之一。

国外较早时引入Pe [1]Bear1972)作为地下水渗流对地埋管换热性能影响的判别条件,其物理意义是在地下水渗流中热对流强度与热传导强度的比值。Eskilson[2] 利用Carslaw [3] 提出的移动线热源问题的稳定状态解析解,讨论了在达到稳态以后渗流对地埋管换热性能的影响。Chiasson Spliter[4] 利用有限元法对二维瞬变渗流进行了数值求解,对在特定的假设条件下的工程问题进行了研究,得出了地下渗流可以改善地埋管的换热性能。Fujii.H[5] 通过建立二维有限差分模型对地下水渗流对地埋管管群之间的热干扰进行了研究,提出了管群优化模型。GehlinS.E.A Hellstom.G[6] 建立了三维有限差分模型,研究了地下水渗流对地埋管换热器的影响。

国内,顾吉浩等[7] 建立了二维地下水渗流条件下地埋管换热器的数值计算模型,对单孔地埋管换热器周围的土壤温度场进行了数值计算。但其对地埋管换热器的研究还局限于二维线热源理论,未能发展到三维计算模型,无法满足对于长期运行工况下数值计算结果的精确度要求。龙会等[8] 建立了考虑地下水渗流的三维有限长线热源模型,综合虚拟热源法、移动热源法和格林函数法得出了有渗流时半无限大介质中有限长线热源产生的非稳态温度响应的表达式;通过Matlabs 编程模拟温度场,分析了单个钻孔周围岩土过余温度场。但其研究仍停留在线热源理论,仅研究钻孔外有地下水渗流的非稳态传热问题,分析地下水流动对地埋地换热器传热的

影响,忽略了地埋管管内流体的流动特征,也缺乏对其模型正确性的验证。杨刚杰[9] 建立了三维热渗耦合模型,分析了渗流速度、渗流方向等对管群换热效率的影响,提出了管群布置的优化方法。但其研究是假定渗流位于整个埋管深度范围内,未能结合工程实际情况,分析渗流位于不同深度时对地埋管换热器换热效率的影响。

本文在上述研究的基础上,以地源热泵热响应试验实地测试结果为对比对象,以试验地区测试温度及地质结构为岩层边界条件,分析地埋管换热器的换热机理,建立了热渗耦合理论下的地埋管系统的数学及物理模型。对比分析渗流速度、孔隙率及渗流层深度三个因素对地埋管换热器换热性能的影响。同时将测试值与数值计算结果进行对比验证,其分析结果可为热渗理论应用于实际工程建立一定的基础。

1 热渗耦合模型的建立

1.1 模型的建立

以贵州省贵阳市某大学实际热响应测试条件为基础,利用Gambit 建立竖直双U 地埋管换热器与岩土热渗耦合物理模型。模型的尺寸5m×5m×100m,竖直地埋管埋深100m,钻孔直径140mm,进出水管为直径32mm PE 管,利用UDF 程序代替地埋管换热器U 型弯管。模型总网格数约为46 万,网格划分情况如图1所示。

地埋管换热器网格划分示意
1 地埋管换热器网格划分示意
a)整体网格划分;(b)土壤平面网格划分;(c)钻孔内网格划分

1.2 边界条件

通过检测管井条件可确定试验地区的地质构成为石灰岩,在40m 左右的岩层中有地下水的流动。采用原浆、细砂、膨润土混合物进行回填,岩土、回填材料、PE 管的热物性如表1 所示。

1 岩土、回填材料和PE 管的热物性参数
岩土、回填材料和PE 管的热物性参数

岩土初始温度的测量结果为17℃。同时根据实地热响应测试运行参数确定初始条件,即双U 支管流速0.3m·s-1,钻孔内流量1.69m3·h-1,加热功率6kW,数值计算运行步长6s,总计算步数28800 步,总计算时长48h

1.3 地埋管换热器的传热过程分析

影响地埋管换热器换热性能的因素有管内流体流动、回填材料物性参数、岩土热物性参数、地下水分迁移等。现有的地埋管换热模型大都是采用纯导热模型,忽略了渗流对地埋管换热器换热性能的影响。而实际渗流作用下的岩土传热过程是热渗耦合的复杂过程,且在饱和岩土[10] 中,由于热湿耦合作用影响较弱,岩土传热性能更多受到地下水渗流的影响。存在地下水渗流的岩土的传热方式主要可分为:① 固体骨架的热传导;②孔隙中地下水的导热作用;③ 地下水渗流产生的对流换热三部分。

由于地下埋管换热器与周围岩土间的换热是一个十分复杂的不稳定传热过程,因而对物理模型作如下简化:

1)孔隙率r 指有效孔隙率,即假定多孔介质饱和、均匀且各向同性;

2)不考虑热辐射和粘性耗散影响;流体与固体的局部热平衡是在瞬间达到的;

3)忽略地表温度变化及地埋管深度变化对岩土温度的影响;

4) 在传热过程中岩土的热物性参数不发生变化;

5) 忽略重力作用对地埋管内流体流速的影响;

6)忽略回填材料与岩土及U 型换热管间的接触热阻;

7)地埋管同一水平截面上的温度和流速相同;

8)忽略地下水纵向流动的影响,只考虑水平方向的地下水流动。

1.4 控制方程

1.4.1 地埋管流体部分连续性方程:

动量方程:

能量方程:

湍动能方程:

耗散率方程:

式中:Gk 平均速度梯度引起的湍动能k 的产生项;μt 湍动粘度;二者根据式(67)确定:

式中:C1εCCμ 为经验常数;σk σε 是与湍动能k 和耗散率ε 对应的Prandtl [11]。其取值为:C=1.44C=1.92Cμ=0.09σk=1.0σε=1.3

管内流体与管壁换热见式(8):

在制冷工况下岩土对地埋管内流体为冷却作用,h采用Dittus-Boelter 公式进行计算,见式(910):

式中:λp 为管壁导热系数;λf 为流体导热系数;tf为流体温度;tp 为管壁温度;r U 型管半径。

对管壁的导热方程见式(11):

式中:ρp 为管壁密度;cp 为管壁比热容。

1.4.2 多孔介质部分

连续性方程:

动量方程:

能量方程:

式中:r 为多孔介质孔隙率,Siρtct kt 根据式(1517)确定:

式中:为粘性损失项;为惯性损失项;a为渗透系数;ρfcfkf分别表示多孔介质中液相的热容和导热系数;ρScSkS分别表示多孔介质中固相的热容和导热系数。

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