换热介质的流速对地埋管换热器换热性能的影响

换热介质的流速对地埋管换热器换热性能的影响点击：62日期：[2014-04-2621:35:22]换热介质的流速对地埋管换热器换热性能的影响程小菲,夏智先,张娟娟,沈致和(合肥工业大学土木与水利工程学院,安徽合肥230009)摘要：文章通过实验探索换热介质的流速对地埋管换热器的换热性能的影响,分别讨论了流速为0.06m/s、0.07m/s、0.2m/s、0.4m/s、0.6m/s、0.8m/s的情况,实验表明:当流速从0.07m/s增加到0.2m/s时,进出口温差降低了20.3%;单位井深换热量增加了30.4%。而从0.2m/s增加到0.6m/s时,进出口温差降低了54.7%;单位井深换热量增加了25%;单位井深换热量的变化梯度随水流速的增加而减小,并且在低流速的情况下提高水流速会明显增加单位井深换热量,随着水流速的增加单位井深换热量增长得越来越慢。关键词：地源热泵实验;流速;换热性能中图分类号：TU831.6文献标识码：A文章编号：1673-5781(2011)04-0517-03地源热泵作为一项高效节能、绿色环保的空调技术,近年来越来越受到关注和重视。但是,该项技术涉及面比较广,在不同地质、气候、工程的条件下,地源热泵的系统设计、换热性能以及施工技术特点都会出现较大差异[1]。目前,在合肥地区采用地埋管地源热泵系统的实验研究相对较少,本文结合合肥地区的地质和气候条件阐述运用该系统的可行性,以期可降低空调能耗。合肥地区属于江淮波状平原区,区内地层基岩主要为侏罗系、白垩纪地层,次为第三系地层,其中第三系定远组,主要分布于合肥城区及东南;白垩系张桥组,在合肥地区广泛分布;岩性主要为砂岩、泥岩,自下而上又可分为二段,上段为强风化、中风化,岩石硬度较低,下端为微风化、未风化,岩石完整性较好,硬度中等,另外零星分布玄武岩等火山岩[2-3]。气候特征为冬冷夏热,冬夏两季时间较长,春秋两季时间较短,在夏季空气湿度高,降水量大,土壤的含水率也高,而当土壤含水率高时土壤的热物性参数会相对稳定,从而浅层土壤的温度相对稳定,因此,土壤源热泵很适合在合肥地区使用[4]。1·地源热泵试验介绍1.1试验台概况地源热泵实验室位于合肥南边某处,实验台以实验室为负荷端,实验室总建筑面积48m2,高3.8m,系统共分为4个模块,即室外地下换热器系统、机组系统、室内末端系统和控制系统[5]。1.2试验台设计介绍1.2.1地源热泵地埋管布置和测温探头布置室外系统即地下换热器系统主要包括:一口运行井和一口测试井,运行井井深60m,测试井深45m,钻孔直径为110mm。运行井和测试井均采用测温探头进行测温,探头采用武汉正辰科技发展有限公司生产的pt100探头[6]。运行井和测试井如图1所示。60m运行井安装4个测温探头,45m的测试井分别安装3个测温探头,探头的分布位置分别是:-10m、-30m、-45m和-60m。分别对运行井管壁和测试井的不同深度的温度进行测试,在机组为运行之前可以测试地下不同深度土壤的原始温度。1.2.2室外钻井地质状况室外0~-60m钻孔结构示意图,如图2所示。1.2.3实验用材(1)地埋管换热器管材选用HDPE100,公称外径25mm,公称壁厚2.5mm。(2)地源热泵主机选用的是美意(上海)空调设备有限公司生产的水-水式水源热泵机组,机组型号为J043WLD-HLA/AS,额定制冷量为11.3kW,电功率为2.69kW,COP值为4.2;额定制热量为14.8kW,电功率为3.44kW,COP值为4.3;机组尺寸(长×宽×高)为710×625×480,质量为65kg,电源为220V/50Hz。(3)冷却、冷冻水泵选用的是立式离心泵,产品型号为KQL25/125-0.75/2和KQL25-125。(4)冷却水流量的测量仪器为PC-LDY-25-11-12型电磁流量计。(5)各测点的温度采用武汉正辰科技发展有限公司生产的型号为WZP-020P的pt100探头,测温范围±50℃,四线制。输出的信号由精密数据采集仪器进行采集。1.2.4实验操作(1)启动源侧循环水泵,并将水量调节到规定值。(2)启动负荷侧循环水泵,并将水量调节到规定值。(3)启动风机盘管风机,并将风量调到最大档。(4)启动地源热泵机组。(5)系统运行正常后,开始记录测试数据。(6)如果运行中出现异常,应及时停止机组运行,并切断所有电源。2·不同流速对换热器换热性能的影响根据表1列出的埋管换热器内换热介质的热物性可知,当流速取0.07m/s时,雷诺数约为2000,因此可以取流速0.06m/s、0.07m/s、0.2m/s、0.4m/s、0.6m/s、0.8m/s来分别讨论换热介质不同流速对换热器换热性能的影响。取系统运行时间为5d,换热器进口温度为25℃,井深60m,管内径为20mm,外径为25mm,土壤初始温度为19.2℃。在地源热泵地埋管换热器与周围土壤换热过程中,随着系统的运行地埋管换热器进出口水温差将逐渐趋向平衡,此时换热达到准稳态工况,进出口温差与流速关系变化如图3所示。由图3可以看出,地埋管换热器进出口温差随着流速的增加而逐渐减小,并且逐渐走向平缓,如图4所示。由图4可以看出,单位井深换热量随流速的增加而增加,当达到稳定后逐渐趋于平缓,在低流速情况下提高流速可以显著提高单位井深换热量,在较大流速的情况下提高流速对换热量的提高没有太大的作用。由图3和图4可以看出,当流速从0.07m/s增加到0.2m/s时,进出口温差从10.1℃降低至7.9℃,降低了20.3%;单位井深换热量从46W/m增加至60W/m时,增加了30.4%。而从0.2m/s增加到0.6m/s时,进出口温差降低了2.3℃,降低了54.7%;单位井深换热量增加了17W/m,增加了25%。为了更直观地说明流速对U型换热器换热量的影响,定义gradTu为循环水进出口温差随流速的变化梯度,gradqu为单位井深换热量随流速的变化梯度[7],即其中,T1为循环水进出口温差(℃);q为单位井深换热量(W/m);u为井内流体流速(m/s);cp为井内流体的比热容(J/(kg·℃));ρ为井内流体的密度(kg/m3);L为钻井深度(m)。进出口温差随流速变化的梯度图,如图5所示。由图5可以看出,地埋管进出水温差梯度随流速的增加而减小,即提高水流速时会降低地埋管循环水的进出口温差,尤其是在低流速情况下提高水流速会使循环水进出水温差明显降低,当流速由0.07m/s增加到0.2m/s时,gradTu为93.8℃/(m/s),随着流速的增加,地埋管循环水的进出口温差则降低的很慢,当流速由0.2m/s增加到0.8m/s时,gradTu为17℃/(m/s)。单位井深换热量随流速变化的梯度图,如图6所示。由图6可以看出,与进出水温差梯度变化规律一样,单位井深换热量的变化梯度随水流速的增加而减小,并且在低流速的情况下提高水流速会明显增加单位井深换热量,如当流速由0.07m/s增加到0.2m/s时,gradq1为276.9W/(m/s),随着水流速的增加单位井深换热量增长得越来越慢,当流速由0.02m/s增加到0.8m/s时,单位井深换热量为30W/(m/s)。3·结束语当流速从0.07m/s增加到0.2m/s时,进出口温差从10.1℃降低至7.9℃,降低了20.3%;单位井深换热量从46W/m增加至60W/m,增加了30.4%。而从0.2m/s增加到0.6m/s时,进出口温差降低了2.3℃,降低了54.7%;单位井深换热量增加了17W/m,增加了25%;单位井深换热量的变化梯度随水流速的增加而减小,并且在低流速的情况下提高水流速会明显增加单位井深换热量,随着水流速的增加单位井深换热量增长的越来越慢。由于速度较快时,换热介质所携带的热量来不及散失,于是出口的温度也随之增加,由此可知,当速度达到一定值时,继续提高速度强化传热的效果不明显。由于流速较高时消耗较多水泵轴功,所以工程上推荐使用经济速度,推荐的流速范围为0.15~0.36m/s[8]。〔参考文献〕[1]刘佳霓,毛佳妮,冯广昌.广州地区土壤温度场对U型埋管换热性能的影响[J].太阳能学报,2007,30(7):928-933.[2]李清.地源热泵系统在合肥地区的应用[J].安徽地质,2010,12(3):21-24.[3]黄多成,陈学锋,李永红.安徽省浅层地热能地质特征及开发利用[J].安徽地质,2010,12(3):25-29.[4]刁乃仁,方肇洪.地埋管地源热泵技术[M].北京:高等教育出版社,2005.[5]马最良,姚杨,姜益强.暖通热泵技术[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.[6]徐伟.地源热泵工程技术指南[M].北京:中国建筑工业出版社,2001.[7]马最良,吕悦.地源热泵系统设计与应用[M].北京:机械工业出版社,2007.[8]GB50366-2005,地源热泵系统工程技术规范