<cite id="zzlrh"><span id="zzlrh"><menuitem id="zzlrh"></menuitem></span></cite>
<var id="zzlrh"><span id="zzlrh"><menuitem id="zzlrh"></menuitem></span></var>
<ins id="zzlrh"></ins><ins id="zzlrh"><span id="zzlrh"><cite id="zzlrh"></cite></span></ins>
<cite id="zzlrh"></cite><ins id="zzlrh"></ins>
<cite id="zzlrh"><span id="zzlrh"><menuitem id="zzlrh"></menuitem></span></cite>
<cite id="zzlrh"></cite>
<ins id="zzlrh"></ins>
<cite id="zzlrh"><video id="zzlrh"></video></cite>
哈雷釬焊板式換熱器
專業生產:換熱器;分水器;過水熱;冷卻器
新聞動態

地源熱泵地中換熱器的非穩態傳熱數值研究

點擊:1350 日期:[ 2014-04-26 22:06:02 ]
                          地源熱泵地中換熱器的非穩態傳熱數值研究                                 唐志偉 1, 金 楠 2, 閆桂蘭 1 (1.北京工業大學 環境與能源工程學院, 北京 100022; 2.天津市建筑設計院 機電設備二所, 天津 300000) 摘 要: 豎直 U 型管經常被用做地源熱泵的地下換熱器。文章建立了三維數值模型模擬 U 型管內的流動和地 下耦合非穩態傳熱。使用商業軟件 GAMBIT 和 FLUENT 構造數值模型并進行數值模擬。為了驗證模型的有效 性, 將 U 型管出口水溫的模擬結果與實測數據進行了比較: 運行中出口水溫模擬值稍大于實驗值, 隨著運行 時間的增加, 兩者相差越來越小。該結果顯示, 對于長時間運行的熱泵系統, 此模型的模擬數據更加真實可靠。 關鍵詞: 地源換熱器; U 型管; 數值模擬; 傳熱 中圖分類號: TK523 文獻標志碼: A 文章編號: 1671- 5292(2008)01- 0055- 04 0 引言 土壤的溫度在冬季比室外空氣溫度高, 在夏 季比室外空氣溫度低。以土壤為換熱源的熱泵比 以室外空氣為換熱源的熱泵的工況更理想。豎直 U 型管具有結構簡單和占地空間少的優點, 被廣 泛用作地源熱泵工程的地源換熱器。 為了弄清地埋 U 型管的換熱能力和與其換 熱土壤的溫度場, 研究者一直在對 U 型管傳熱的 數學模型進行研究, 等效法在此研究領域中被廣 泛使用。1986 年, V C Mei 和 C J Emerson 將豎直U 型管視為柱熱源。通過實驗研究和數學推導, 他 們發現了 U 型管單支管的外徑 D 和等效柱熱源 直徑 Deq 的聯系系數為 1.0~1.662, 平均值為 1.3[1]。 1995 年, Yian Gu 和 Dennis L O’Neal 用分析法求 解等效于 U 型管的柱熱源, 得到近似分析解[2]。 1998 年, Yian Gu 推導出等效圓柱直徑 Deq取決于 U 型管單支管的外徑 D 和兩管中心距的結論[3]。 1997 年, Steve P, Rottmayer 等人用柱坐標的網格 代替 U 型管形狀, 得到了一種新的等效模型[4]。 2001 年, 周業素建立了使用經驗公式計算水和等效于U 型管的圓柱內壁面的對流換熱的三維等效 圓柱數值模型[5]。 在等效模型中, U 型管一般被簡化為柱熱源, U 型管內的流動過程在模型中沒有得到充分表 示。本文建立了一個具有真實 U 型管形狀, 可以 直接模擬豎直 U 型管內流動的三維模型, 將 U 型 管出口水溫的模擬值和實測數據進行了比較, 并 分析了 U 型管的平均熱流量、土壤的溫度場和 U 型管內水溫分布等模擬結果。 1 數值模型的建立 在地源熱泵工程中, U 型管內徑通常為 25 mm, 管內流速通常在 0.25~1.2 m/s, 水的熱物性參 數隨溫度變化。若地源熱泵在冬季工作, U 型管內 平均水溫設定為 6 ℃, 水的運動粘度為 1.499×10-6 m2/s, U 型管內流動的雷諾數約為 4 167~20 000。 如果地源熱泵在夏季工作, U 型管內平均水溫設 定 為 30 ℃, U 型 管 內 流 動 的 雷 諾 數 約 為 7 764~37 267, U 型管內的流動明顯是紊流。模擬 U 型管內紊流對精確模擬水與 U 型管內壁對流 換熱是很重要的。本文使用低雷諾數 k- ε模型精 確模擬 U 型管內紊流。紊流模型的參數在 FLU- ENT 中設置。 1.1 模型的示意透視圖 U 型管、回填土和土壤中的傳熱被視為三維 熱傳導。通過 GAMBIT 畫出了數值模型的幾何形 狀并在其中布置網格。圖 1 是模型的示意透視圖。 地下傳熱系統的幾何形狀和物理過程以一個 豎直面而左右對稱, 圖 1 中的模型是傳熱系統對 稱幾何形狀的一半。圖 1 在豎直方向上分 3 層, 在每層中有代表流體、U 型管、回填土和土壤的不同部分。這種劃分把模型分為 16 個部分, 這有利 于在數值模型中設置網格。網格將分別設置在這 16 個部分中。在頂層也是最厚的一層中, 流態在 豎直方向上變化很小, 因此在此層中豎直方向上 的流體節點間距均勻且較大。在底層的流體通過 半圓環形路徑改變流動方向, 沿著半圓環形路徑 在流體和 U 型管上布置適當間距的節點, 太稀疏 的節點間距不能精確模擬流動, 而太密集的節點 間距在此處不能被 GAMBIT 所接受。在豎直方向 上中間層節點間距呈漸變分布, 以連接底層和頂 層的節點。在頂層和中層中, U 型管、回填土和土 壤在豎直方向上的節點間距與流體相同。 1.2 模型的網格劃分 圖 2 是流體和 U 型管在垂直于流向截面上 的網格, 流體網格在靠近管壁處密集, 這有利于精 確模擬水與 U 型管之間的對流換熱。圖 3 是回填 土在頂層和中層水平截面上的網格。圖 4 是土壤 在所有 3 層模型中的水平截面上的網格。模型中, 在徑向上通過單位面積的熱流量從里向外減少, 所以溫度梯度也減小。為了適應這種趨勢, 在圖 4 中從土壤外邊界到土壤與回填土的交界, 徑向節 點間距遞減。 在設置完以上的豎直方向節點和平面上 的網格后, 將在模型的 16 個部分中分別設置 三維網格。在頂層和中層的流體、U 型管和回 填土部分中, 根據圖 2, 3 中的網格和豎直方 向上的節點布置三維網格。根據圖 2 中的網 格和沿半圓環流徑設置的節點, 在底層流體 和 U 型管中布置三維網格。根據圖 4 中的網 格和豎直方向上的節點, 在所有三層土壤中 布置三維網格。在圖 1 中可以看出底層回填 土的形狀不規則, 根據它與中層回填土、底層 U 型管外表面及土壤相連的邊界面上已經布 置的網格, 在底層回填土中布置三維非結構 化網格。 2 模擬結果分析 根據實測數據, 數值模型被設置如下條件: 地 源熱泵工作于夏季; 放置 U 型管和回填土的豎井 直徑 300 mm, 深 60 m; U 型管內徑 25 mm, 管壁厚 3 mm, U 型管兩管中心距 180 mm; 豎井表面和土 壤外表面之間的徑向距離為 3 m。 根據實驗記錄,U 型管內水的流速為 0.27m/s。 因為實測始于地源熱泵制冷期的起初, 所以數 值模型各部分的初始溫度都是相同的( 14.43 ℃) , 這也是數值模型中處于常溫條件的土壤外 邊界的溫度。U 型管頂部埋在地面以下 2 m。室 外空氣和地表之間的傳熱是熱對流, 熱對流系 數可以根據經驗公式計算。地表和模型頂面之 間的傳熱是熱傳導。在模型中頂面被設為第二 類傳熱邊界條件。室外空氣與模型頂面之間, 包 括熱對流和熱傳導的綜合換熱系數是 0.455 6 W/( m2?℃) 。日平均室外氣溫是 20 ℃。圖 1 中的 對稱面在 GAMBIT 中定義為對稱條件, 這表示 任何參數的梯度在此面上為零。模型中的物性 參數列于表 1 中。 使用 FLUENT 讀取 GAMBIT 所建的網格, 在 GAMBIT 和 FLUENT 中定義物性參數、邊界 條件和初始條件。數值模型在 FLUENT 中被 設為模擬非穩態傳熱過程。時間間隔最初設 為 2 s, 如果 U 型管出口水溫 的 模 擬 結 果 隨 時間變化較慢, 模擬時間間隔將被逐漸放大。 在實測中地源熱泵從制冷工況的啟始連續工 作了 24 h。在這 24 h 中, 水在水泵的強制作 用下流過 U 型管。所以 U 型管內壁在這 24 h 內處于強化對流傳熱狀態。U 型管內流態不 取決于傳熱和溫度場分布。流態取決于水泵 的作用力和 U 型管內的流徑。所以在FLUENT 中把算法設為 Separated( 分離) 。實測中記錄 了每個小時末的U型管進口水溫和出口水 溫。進口水溫作為數值模型的邊界條件,在模 擬過程中記錄出口水溫模擬值。圖 5 是出口 水溫實測數據和模擬結果的比較。 在圖 5 中, 實測出口水溫值比模擬值低, 這是 由于有地下水的存在, 土壤中的傳熱存在熱對流。 在數值模型中把土壤中的傳熱作為純熱傳導處 理, 因此實際傳熱效果好于模擬結果。表 2 清楚地 給出了圖 5 描述的數據, 還給出了出口水溫實測值與模擬值在每個小時末的絕對誤差和相對誤 差。絕對誤差和相對誤差在模擬過程中總體上是隨時間下降的。通過比較, 可以證明該數值模型的 有效性。 3 結論 由于地源熱泵系統的地埋管部分是不可 見的, 因此對地下換熱器的研究缺乏直觀性, 實驗研究的難度很大。本模型提供了地源熱 泵系統地埋管研究的一種新方法和新思路 , 通過模擬結果與實驗結果的比較,我們可以 看到此模型的有效性。模擬與實驗相結合, 促 進了對地埋管部分的進一步研究探索。 從上述結果中可以看出, 在模擬出口水溫 時, 模擬值稍大于實驗值, 但是, 隨著運行時間的 增加, 兩者相差越來越小。該結果顯示, 對于長時 間運行的熱泵系統, 此模型的模擬數據更加真實 可靠, 而對于短時間運行, 此模型還需要做進一 步地改進。 參考文獻: [1] V C MEI, C J EMERSON. Performance of a ground-coupled heat pump with multiple dissimilar U - tube coils in series [J].ASHRAE Transactions,1986,92 (2A) : 30- 42. [2] YIAN GU, DENNIS L O’NEAL. An analytical solution to transient heat conduction in a composite Region with a cylindrical heat  source [J]. ASME J of Sol. Energy Eng.,1995,117: 242- 248. [3] YIAN GU, D L O’NEAL. Development of an equivalent diameter expression for vertical U - tubes used in ground- coupled heat pumps [J]. ASHRAE Transac- tions,1998,104(2): 347- 355. [4] STEVE P ROTTMAYER. Simulation of a single vertical U- tube ground heat exchanger in an infinite  medium[J]. ASHRAE Transactions,1997,103(2): 651- 659. [5] 周業素, 陳沛霖.土壤熱源熱泵動態特性與能耗分析 研究[D].上海: 同濟大學,2001. 
上一篇:管殼式換熱器設計相關問題的分析研究 下一篇:奧氏體不銹鋼換熱器管的渦流檢測方法

相關資訊

Copyright ?2008 哈雷換熱設備有限公司 All Rights Reserved. 地址:奉化外向科技園西塢金水路 電話:0086-574-88928255 傳真:0086-574-88916955
換熱器 | 板式換熱器 | 釬焊板式換熱器 | 冷卻器 | 分水器 | 地暖分水器 | B3-14B板式換熱器 | 網站地圖 | XML 浙ICP備09009252號 技術支持:眾網千尋
最新色情绪网址,影音先锋中文字幕亚洲资源站,伊人久久大香线蕉综合,一本道在线电影