地源热泵的套管式地下换热器传热研究

地源热泵的套管式地下换热器传热研究Ξ 赵　军, 袁伟峰, 朱　强, 周　倩, 龚宇烈 (天津大学电气自动化与能源工程学院, 天津 300072) 　　　　　　　　摘　要: 依据能量平衡, 建立了地下浅埋套管式换热器传热模型, 求解并 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了影响传热的主 要因素, 提出了强化换热的措施, 给出了相应的函数关系图 1 关键词: 地源热泵; 套管式换热器; 地下传热 中图分类号: TU 11111　　　文献标识码: A 　　　文章编号: 049322137 (2001) 0420345203 　　地源热泵以大地为热源和热汇, 通过埋入地下的 换热器与大地进行冷热交换, 实现建筑供热和空调目 的. 与空气源相比, 地源温度比较稳定, 可在夏冬两季 分别提供相对较低的冷凝温度和较高的蒸发温度. 国 际最新研究动态 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明[ 1, 2 ] , 有关埋入地下换热器的传热 强化、土壤源热泵系统仿真及最佳匹配参数研究都是 地源热泵发展的关键技术课题. 1　套管式地下换热器传热平衡式 1. 1　大地初始温度的确定 　　在理论模型计算中, 需要大地初始温度 T s. 由于 受地表温度年周期性变化和日周期性变化的影响, 大 地初始温度 T s 也具有周期性特点, 并且其变化的幅值 随地层深度的增加呈自然指数规律减小. 考虑到日周 期性波动的周期较小, 工程上一般忽略地表温度日周 期性变化对地温的影响. 地温 T s (x , Σ) 随地层深度 x 和时间 Σ的变化按 Ku suda 分析模型为[ 3 ] ts (x , Σ) = tm + A m exp (- w2Αs x ) co s w Σ2 w2Αs x (1) 　　式中: x 为从地表面算起的地层深度, m ; Σ为从 地表面温度年波幅出现算起的时间, h; ts (x , Σ) 为在 Σ 时该深度 x 处的地温, ℃; tm 为地表面年平均温 度, ℃; A m 为地表面年周期性波动波幅, ℃; w 为温度 年周期性波动频率,w = 2ΠöT = 0. 00071725; T 为温度 年波动周期, T = 8760 h; Αs 为大地导温系数,m 2ös. 1. 2　大地热阻计算 　　参照文献[ 4 ] , 在本文中推算了套管式换热器附近 的大地热阻, 计算式为 　　　　R G = I (X r4)Κs (2) 　　其中, I (X r4) =∫ ∝ X r4 e - x 2 x d x ; X r4= r4 2 asΣΡF 　　式中: F 为运行时间因子, 连续运行时 F = 1, 间隙 运行时 F 为每一个时间周期内运行时间与周期时间 之比; Σ0 为从运行开始计算的时间, s; Κs 为大地导热系 数,W ö(m ·℃). 1. 3　套管式换热器传热模型建立与求解 　　图 2 是套管式换热器的运行示意图. 运行时, 管内 流体从环腔流入, 内管流出. 图 3 为流体温度沿程示意 图. 参考图 2、3, 由能量平衡, 得到方程为 　　 Wαd t1= K W ( t2- t1) dX + K Φ( ts- t1) dX Wαd t2= K W ( t2- t1) dX (3) 式中: X = x öL 0 为无量纲; Wα= mαC p; K Φ= k ΦΠd 4L 0; K W = k ΠΞd 2L 0;Wα为热流热容量,W ö℃; C p 为定压比热, J ö (kg·℃) ; mα为质量流率, kgös; L 0 为热交换器长度, m ; x 为距进口的长度, m ; d 2、d 4 分别为套管外管外直 径与外管内直径, m (见图 1) ; t1、t2、ts 分别为流体进口 温度、流体出口温度和大地初始温度, ℃; ϑw 为以内管 外侧面积为计算基准的内、外管流体间的总传热系数, W ö(m 2·℃) ; ϑΦ为以外管外侧面积为计算基准的由 岩土至外管流体间的总传热系数,W ö(m ·℃) , 忽略 外壁面与土壤的接触热阻, 　 　　　　　　　　　　　 天津大学学报　第 35 卷　第 3 期 2002 年 6 月JOU RNAL O F T IAN J IN UN IV ER S IT Y　V o l135　N o13　M ay　2002 Ξ 收稿日期: 2001209230. 　　　基金项目: 国家自然科学基金资助项目 (59776015) 1 　　　作者简介: 赵　军 (1964- 　　) , 男, 硕士, 教授. © 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 图 1　竖埋换热器断面图 F ig11　The cross section of vertica l hea t exchanger 图 2　浅埋套管换热器模型 F ig. 2　M odel of vertica l hea t exchanger 图 3　内、外管流体沿程温度分布 F ig13　 Thermal f ield of f lu id in tube 计算式分别为 　　　 ϑw = 11Α1 d 2d 1 + d 22Κp 1i ln d 2d 1 + 1Α2ϑΦ= 1d 4R G 2 + d 4 2Κp 1o ln d 4d 3 + d 4Α3d 3 (4) 　　式中: d 1、d 3 分别为套管内管内直径与外管内直 径, m (见图 1) ; Κp 1i、Κp 1o分别为内管及外管的导热系 数,W ö(m ·℃) ; Α1、Α2、Α3 分别为内管内侧、内管外侧、 外管内侧的对流换热系数,W ö(m 2·℃) , 由以下准则 关系确定 (见文献[5 ]) : 　　　 N u= 01018R e0182P r0152　　内管外侧 N u= 01023R e0180P r0140　　内管内侧 N u= 01016R e0182P r0152　　外管内侧 (5) 　　令: 　Η1= ts- t1, Η2= ts- t2, a= K W öWα, b= (K W + K Φ) öWα 　　式中: Η为温差, ℃; a、b 为常数. 方程 (3) 可被表示 为 　　　 dΗ1ödX = aΗ2- bΗ1 dΗ2ödX = aΗ2- ΑΗ1 (6) 　　上述方程可用 d’A lam bert’s 方法求解, 求解结果 为 　　　Η1= C 31 exp (Μ21X ) - C 32 exp (Μ22X ) (7) 　　　Η2= C 32 q23p 2 exp (Μ22X ) - C 31 q1p 1exp (Μ21X ) (8) 　　由边界条件: 　　　Η1 (X = 0) = Η′1 (9) 　　　Η1 (X = 0) = Η2 (X = 1) (10) 　　由常数C 31 与C 32 可以被确定为 　　C 32 = Η’1 (1+ q1p 1 ) exp (Μ21) - (1+ q1p 1) exp (Μ21) + (1+ q2p 2 ) exp (Μ22) 　　C 31 = Η′1+ C 32 　　式中: 　Μ2i = 015 K ΦWα(- 1± 1+ 4K WK Φ )　 ( i= 1, 2) 　　　　　　p iq i = v 2 i - a a 　　　　　　 ( i= 1, 2) 　　由上可计算得到: Η2 (X = 0) = Η″2 及套管式换热器 的热量输出 　　　Qα= Wα( t″2- t′1) = Wα(Η′1- Η″2) [W ] (11) 2　传热影响因数分析 　　根据上述关系式, 可以看出, 影响套管式换热器传 热量及出口水温的主要因素有: 1)套管内水流速度; 2) ·643· 天津大学学报　　　　　　第 35 卷　第 3 期　 © 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 大地初始温度; 3)换热器尺寸; 4)大地热阻; 5)套管内、 外管间的热传递. 　　图 4 为Η″2Η′1 = f (K WK Φ, K ΦWα) 的函数关系图 1 在计算传 热量Qα时, 可据图 4 查得Η″2Η′1 值, 再由式Qα= WαΗ′1 (1-Η″2Η′1 ) , 即可方便地估算出传热量. 此外, 由图 4 可以看出 最有利的情况是 K W = 0. 图 4　Η″2öΗ′1= f (K ΦöWα, KW öK Φ) F ig14　Η″2öΗ′1= f (K ΦöWα, KW öK Φ) 　　图 5 表明, 换热器进出口温差 ∃ t 随热流热容量Wα 图 5　∃ t= f (Wα, K Φ) F ig15　∃ t= f (Wα, K Φ) 的增加而减小; 此外, K Φ越大, 即土壤的导热能力越 好, ∃ t 也越大, 这跟实际情况吻合. 3　结　语 　　采用能量平衡, 基于土壤介质导热模式, 建立了地 下浅埋套管式换热器传热模型, 并通过模型计算分析 了影响传热的各主要因素. 利用本文建立的传热模型 可以计算套管式换热器的热输出以及套管内的流体温 度分布. 此外, 给出的函数关系图, 可以很方便地估算 传热量的大小和套管进出口水温差, 可用于对套管式 地下换热器几何尺寸和结构的优化 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 . 　　冬季运行套管温度低于 0℃时, 套管周围土壤中 的水分将结冰, 土壤中形成的水蒸汽分压力差, 使水蒸 汽从周围向套管移动, 这对土壤导热的改善有一定作 用 1 此外, 水蒸汽液化继而结冰放出的显热和潜热也 为热泵提供了附加热量. 上述涉及到的相变和传质的 过程在今后的传热研究中应进一步探讨. 参考文献: [ 1 ]　Yan Gu, D enn is L O ’N eal. M odellng the effect of back2 fills on U 2tube ground co il perfo rm ance [J ] 1A SHRA E T rans11998, 104 (2) : 356- 365. [ 2 ]　T ho rn ton Jeff W , H ughes Patrick J et al. 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Hea t Tran sfer Research on Underground Coax ia l P ipe Hea t Exchanger for Ground Source Hea t Pum p ZHAO Jun, YUAN W ei2feng, ZHU Q iang, ZHOU Q ian, GON G Yu2lie (Schoo l of E lectrical Engineering and Energy, T ian jin U n iversity, T ian jin 300072, Ch ina) Abstract: In th is paper, acco rding to energy balance , the heat transfer balance fo rm u la fo r the heat exchanger un2 der shallow ground is estab lished, and the so lu t ion is ob tained , then the facto rs affect ing heat transfer p rocess are analyzed , the heat transfer enhancem en t m easu res are also p ropo sed1A cco rding to the so lu t ion, the co rresponding function graph s of rela t ions are given1 Keywords: ground sou rce heat pump; coax ial p ipe heat exchanger; heat transfer under ground ·743·　2002 年 5 月　　　　　　赵　军等: 地源热泵的套管式地下换热器传热研究 © 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.