U型波纹埋管对于增强土壤源热泵换热性能的研究

                                         陈萌   官燕玲

                         (长安大学环境科学与工程学院,陕西西安710005)

    摘要：为了增强土壤源热泵系统地下埋管换热器的换热性能,通过CFD方法,探讨改用波纹管对地下换 热所产生的影响,首次提出采用波纹管代替光管作为强化地下埋管换热器换热效率。

    关键词：土壤源热泵;波纹管;地埋管换热器

    中图分类号：TU833·3+　文献标识码：A　文章编号：1004-7948(2009)02-0017-04

引言

    地下埋管换热器是土壤源热泵系统的核心部分,是增强土壤源热泵系统性能的关键。如何提高地下埋管换热器的换热效率,是地源热泵研究与发展的核心问题之一。国内外学者从各个方面对于这个问题做了大量的研究[1-7]。本文首次提出,通过 改变U型管的管体形状,即用波纹管代替常规的光 管来寻找强化地下埋管换热器的换热性能的新途 径。文中通过创建地下单根U型埋管模型,针对西 安地区的气候与土壤条件,进行了冬、夏两季的换热数值模拟,通过比较光滑管与波纹管在温度场和进、出水温度的区别,提出两种形状U型管的差异、优劣和今后研究方向。

    1 U型管外形的提出与建立

    传统的地埋管换热研究都是基于光滑U型管, 通过改变U型管不同的布置方式,如垂直或水 平[6];改变U型管的数量,如一孔单管或一孔双 管[5];或是改进回填土的导热性能[7]等,来达到优 化换热的目的。这些方法都从不同方面研究了如何 强化传热,取得了一定的成效。但它们都是从地埋 管外土壤侧进行的研究,而埋管壁和U型管内的流 体的强化传热没有得到充分考虑。根据传热学原 理:影响换热器传热效果的因素主要取决于内外传 热介质的热物理性质、流体介质的流态以及传热界 面的几何因素等[8]。改变U型管壁面形状就是从 后二者入手分析提高换热效率的方法。

    波纹管较之于光滑管,既可以增大单位长度的换热面积,又可以增加管内流体的扰动,增强湍流度。建立波纹管外形模型如图1所示。

                         

    2.光滑U型管和波纹U型管传热模型的建立及其 CFD模拟

    2·1几何模型

    模拟对象为埋入土壤内的U型换热管(见图 2)。

                          

    图2中的A-A剖面图如图3所示,回填土与U 型管尺寸大小和相对位置如图4、表1所示。

    利用Gambit进行网格划分。所有区域利用 TGrid网格进行划分,网格大小:土壤区域为2m;回 填土区域为0·1m;U型埋管为0·015m。划分后的 网格如图5~图8所示。

         

            

    2·2物理模型及边界条件

    在求解前考虑到地埋管换热器与土壤换热的复杂性,减少网格数量和求解的复杂性,进行了必要的假设,假设条件如下:

    (1)假设土壤是均匀的,并且在整个传热过程 中土壤的热物性不变;

    (2)不考虑土壤中水分迁移的影响;

    (3)忽略土壤温度沿深度方向的变化,初始土 壤温度取土壤边界处的恒定温度;

    (4)忽略U型管管壁与回填土、回填土与土壤 的接触热阻。

    在Fluent中把算法设为Separated(分离)。控 制方程采用紊流的连续性方程、能量方程和动量方程。紊流模型采用标准的standardk-ε(标准)模型。

初始条件及边界条件的设置:U型管内介质为 水,流体的进口流速取0·4m/s,U型管采用耐热聚 乙烯材料。模拟工况分为夏季工况和冬季工况。夏 季工况:U型管内流体进口温度取308K,室外大气 计算温度取西安夏季室外一年内最热天日平均温度 308·1K;冬季工况:U型管内流体进口温度取280K, 冬季室外大气计算温度取西安冬季室外采暖计算温 度269·8K。土壤初始温度取西安地区土壤下温度 趋于恒定处的值288·6K[10]。在与大气接触的界面采用对流换热边界条件,按无风条件下自然对流换热情况计算,对流传热系数近似取2W / (m2·K)[8]。土壤最外层边界视为恒壁温边界条件,取土壤温度恒定值: 288·6K。土壤底部边界条件采用对称边界条件,即视此边界为零通量,回填土与土壤交界的界面采用耦合边界条件。固体材料的物性如表2所示。

                

    3.模拟结果及其分析

    3·1两种管型温度场及速度场的模拟结果基于上述数学模型、物理模型和边界条件,对光 滑U型管和波纹管分别进行了夏季工况和冬季工况的数值模拟。收敛后,选取模型中有代表性的断面进行分析绘制了温度云图如图9、图10所示。内流场矢量如图11所示。

               

    3·2模拟结果的分析

    土壤中温度分布的数值如图12、图13所示。

    散点图从数值方面利用坐标轴的表示方法显示了在地表面下7m(夏季)和12m(冬季)水平方向土壤的温度分布。图中可以看出在相同土壤深度处, 波纹U型管比光滑管更有利于温度在土壤中的横向扩散。

               

               

    图14、图15分别是夏季和冬季距埋管水平距 离1m处土壤7~20m深度处温度分布线图。

    从图中可以看出,夏季工况:据埋管1m处温度 波纹管整体高于光滑管;冬季工况:波纹管则整体低 于光滑管。说明对于土壤温度传导的影响,波纹管 比光滑管更强。

                

    3·3在相同条件下,两种类型U型换热管进出、口温度的比较

    夏季工况下,光滑管的进、出水温分别 为308K、307·89452K,温差为0·10548K;波纹管的 进、出水温分别为308K、307·88863K,温差为 0·11137K;波纹管的温差比光滑管高0·00589K,即 将近5·6%。冬季工况下,光滑管的进、出水温度分 别为280K、208·04336K,温差为0·04336K;波纹管 的进、出水温分别为280K、280·04613K,温差为 0·04613K;波纹管的温差比光滑管高0·00277K,即将近6·5%。

    由此可以看出,在相同条件下,波纹管换热器的 换热效率可以比光滑管高出6%左右。由于模拟实 验条件的限制,本文仅对埋深20m的单根换热管进 行了模拟,在实际情况中,分析其换热效率提高率会 有进一步的增加。

    4.结论

    经过分析比较可以看出,波纹形状U型地埋管 相对于光滑管显示出了更好的传热性能,是一种值 得考虑的提高土壤源热泵性能的新途径。但同时也 应考虑到:

    (1)由于波纹管尚未在地埋管换热器中投入应用,其加工制作工艺的可行性和可靠性尚不明确。

    (2)其经济成本应与光滑管在经济性与换热效率两方面作综合性分析比较后才能做最后结论。

    (3)本文采用数值模拟的方法,利用Fluent软件对波纹管和光滑管进行了比较分析,其结果尚需采用实际实验去加以验证。

参考文献

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作者简介:陈萌(1980-),男,陕西西安人,在读硕士,研究 方向:建筑节能。