用gambit软件建立了单u形管换热器与周围土壤换热的物理模型并进行了网格划分,用fluent进行了数 值计算,分析土壤的导热性能、回填材料的导热性能、换热器进口水温及流速大小、钻井深度、管腿中心距和换热器管材 等因素对换热器性能的影响,得出了一些对工程实践有用的结论。
关键词: 地源热泵;u形换热器;影响因素;数值模拟
中图分类号: tq051.5 文献标识码: a
1 前言
地下埋管换热器的性能是影响地埋管地源热 泵系统初投资的一个最重要因素,因此,尽量提高 地下埋管换热器的换热性能,减小钻孔内热阻,最 终减少钻井深度和数量是我们努力的重要目 标[1~4]。钻孔内的热阻受众多因素的制约,包括 土壤的导热性能、回填材料的导热性能、换热器进 口水温及流速大小、钻井深度、管腿中心距和换热 器管材。单个钻孔内的热阻越大,换热器内流体 与土壤的热交换就越少,就需要更长的换热器长 度,因此要尽量增加单位管长换热量、减少钻孔热 阻。
地埋管换热器有很多形式可供选择,也有各 种各样的形式已经投入使用,最常见且使用最多 的是以下几种形式:单u形、双u形、套管式。部分研究者对它们的换热问题进行了模拟研究,但 物理模型的建立大都采用等效管法的形式,即将 有两根支管的u性管简化为一根等效管[5~8]。本 文主要对单u形换热器的换热过程影响因素进行 分析,使用gambit软件来建立u形管与周围土 壤换热的几何模型,使用大型cfd商业软件flu- ent来进行换热数值计算。并且建立的是与实际 换热器形状完全一致的物理模型,比等效管法近 似处理物理模型更符合实际。在与实际u形管形 状相同的模型基础上计算三维传热和流动,可以 准确地反映各种因素对换热的影响。
2 模型
2.1 模型的建立及网格划分
gambit以绘图方式输入模型的几何形状, 本模型包括的几何体有u形管内的水、u形管、 回填土和土壤。虽然u形管的两只管腿之间的 传热条件是不对称的,但是两只管腿中心线所构 成的平面两侧的模型几何形状和传热、流动过程 都是对称的,因此只需建立对称模型的一半,即把 建立的模型沿两只管腿中心线所构成的平面剖 开,然后把剖面设为对称边界条件即可。模型水 平面上的网格划分如图1、2所示。
本文研究的井深从40m到100m不等,而井 半径包括研究的土壤半径远远小于井深,因此属 于细长形的几何体。在划分网格时,考虑到温度 在井深方向上变化很小,而在径向却变化很大,所 以沿井深方向上的网格划分较稀疏,以1m为间 距划分各几何体在该方向上的网格。另外,由于 几何体形状的不规则性,分成多个块,分别对每个 块进行网格的划分。在u形管下部的弯管处,由 于流场变化剧烈,且曲度较大,所以要加密对网格 的划分,避免网格有较大的倾斜角。
2.2 边界条件的设定
定义管内流体的区域类型为“fluid”,其他 各部分都为“solid”。把u形管进口inlet定义 为velocityinlet,即将来给定进口流速和水 温的边界条件;出口outlet为充分发展流动,选择 outflow边界类型;径向距u形管最远处infnite和竖直方向底部down认为是无限远处,定义 为相同边界条件的wall,即壁面形边界条件,分 别给定他们的温度;竖直方向上的顶面除了u形 管的进出口外还有管壁、回填土和土壤的顶面,它 们的边界条件性质是一样的,定义为一个wall; 模型是对称几何体的一半,对称面sym定义为 symmery类型的边界,表示在此面上各参数梯 度都为零。
2.3 求解条件的设定
由于可以求解的水是不可压流体,且其流速 不大,所以选择分离式求解器、隐式求解[9]。由于 所研究的是三维非稳态传热问题,所以选择三维 unsteady计算模式。因为计算的是传热问题,所 以计算模型中要选中能量方程,u形管换热时水 的流动是紊流,因水只有处于紊流状态才能与管 壁之间有较大的对流换热系数,达到充分换热、增 大热流量的目的。这里选择realizablek-ε模型 作为紊流模型,选择壁面函数法修正近壁面处湍 流发展不充分的影响。
当模型中不涉及各种材料物性参数的改变 时,根据武汉地区的地质条件定义土壤的物性参 数为:密度1540kg/m3,质量比热1800j (kg·℃),导热系数2.1w/(m·℃);回填材料 物性参数为:密度1900kg/m3,质量比热900j (kg·℃),导热系数2.2w/(m·℃);高密度聚 乙烯管物性参数:密度950kg/m3,质量比热 2300j/(kg·℃),导热系数0.45w/(m·℃)。 由于实际工程中使用的管内流体为纯水,所以其 物性参数可以直接在fluent软件的提供的材料 库中copy得到。岩土的初始温度根据测量取 16℃。
3 模拟结果及分析
模拟冬季工况下的运行,几何模型是60m深 井中的u形管和3m半径的土壤进行换热,土壤 和回填材料的物性以及大地初始温度如上所述。
3.1 进口水温对u型埋管换热性能的影响
为了研究进口水温对u形管换热性能的影 响,将进口水温分别设为2、4、6、8和10℃,模拟 结果如图3所示。
从图3中可以看出,不同流速下单位井深换 热量随进口水温变化的趋势大体相同,即换热量 随进口水温增加线性下降。如果降低地源热泵在冬季运行中u形管进口水温将有利于u形管与 土壤传热。使用较低的进口水温,将会大大加强 u形管与周围土壤的换热。这主要是由于进口水 温较低时水与周围土壤的可利用温差较大,换热 得到加强所致。可以推想,在夏季运行工况下,如 果u形管的进口水温升高,也会使水与土壤的温 差加大,必然也能增加单位管长的换热量。
但埋管进口水温越低,热泵机组地效率也越 低。因此,应综合考虑选择适宜的水温。
3.2 管内流速大小对u型埋管换热性能的影响 为了研究流速对u形管换热性能的影响,选 取水流速度分别为0.12、0.2、0.4、0.6、0.8、1. 0m/s和1.2m/s,流速0.2m/s时雷诺数为 2025,流速1.2m/s时雷诺数20259,涵盖了从过 渡流到旺盛紊流的各个流态。模拟结果如图4所 示。
从图4可以看出,在不同进口水温条件下单 位管长换热量随流速变化的趋势大体相同。在进 口水温一定时换热量随流速的增大而增加,但是 变化趋势逐渐放缓。在流速从0.12m/s变化到 0.4m/s时,曲线斜率较大,说明流速从0.12~0.4m/s阶段换热量随流速增加有较大幅度的增 大,0.4~0.8m/s时传热量随流速的变化已经趋 于平缓,从0.8~1.2m/s换热量随流速的变化几 乎可以忽略。也就是说,随着流速的增加,每增加 单位流速得到的换热量增益在减小。而随着流速 增加,系统阻力也增加,相应增加了能耗,系统 cop会降低。综合考虑,对单u管而言,较适宜 的流速在0.6~0.8m/s之间。
3.3 土壤和回填材料导热性能对u型埋管换热 性能的影响
分别取导热系数从0.87w/(m·℃)到3.81 w/(m·℃)的各种土壤和导热系数从0.78w/ (m·℃)到3.00w/(m·℃)各种回填材料进行 60m深井冬季运行工况下的模拟。模拟结果如图 5、6所示。
从图5中可以看出,随着土壤导热系数的增 加,单位管长换热量随是显著增长的,且在每种类 型土壤中,这个增长基本上是呈线性的。在土壤 导热系数为0.87w/(m·℃)时,单位管长换热 量为9.55w/m,而在导热系数为3.81w/ (m·℃)时,换热量值为26.4w/m,增长了1.76 倍,这也意味着可以极大的节省换热器长度和钻 井数,将带来地源热泵系统初投资的极大降低。 从图6中可以看出,对于每一种土壤类型,随 着回填土导热系数的增加,换热量是增加的,但是 增加的速度却是不一样的。当土壤的导热系数本 身较小时,随着回填土导热系数的增加,换热量增 加并不大,另外,每条曲线的斜率都是刚开始较 大,之后变小,这说明换热量随回填土导热系数的 增加速度刚开始较快,之后变慢,这是由于刚开始 时回填土的导热系数和土壤的导热系数相差较 大,因此稍微提高回填土的导热系数,就可以显著 的增强换热量,但当回填土的导热系数已经等于或大于土壤的导热系数时,再增加回填土的导热 系数,对换热量的增强就不那么明显了。
3.4 管材导热性能对u型埋管换热性能的影响
管材的导热系数分别取0.3、0.45、0.9、1.2、 1.5、2.1和2.5w/(m·℃),模拟结果如表1所 示。
由表1中可以看出,当管材的导热系数从0.3 w/(m·℃)变化到2.5w/(m·℃)时,换热量 的改变仅仅是2.65w/m,也就是说管材导热系数 对换热量的影响是很小的,盲目的追求高导热系 数的管材并不能起到很好的强化传热的效果。主 要是由于管壁的导热热阻本身在u形管换热过 程各部分热阻中就是非常小的,所以改善这部分 的传热性能对整个传热过程强化的影响有限。
3.5 管腿中心距对u型埋管换热性能的影响
研究管腿中心距对u型埋管换热性能的影 响本质上就是研究热回流现象对地埋管换热性能 的影响。本节模拟60m井冬季工况下的运行,进 口水温4℃,流速0.8m/s。为了研究管腿中心距 对u型埋管换热性能的影响,分别建立管腿中心 距为80、120、160、200mm的传热模型,考虑到回 填材料导热性能对热回流现象也有影响,回填物 分别取导热系数从0.78~3.00w/(m·℃)时的 情况进行研究。模拟结果如图7所示。
从图7中可以看出,不管回填导热系数是多 大,换热量都是随着管腿中心距的增大而增加的。 这是因为随着管腿中心距的增加,热回流的热阻 变大,热回流对u形管换热的影响变弱,所以换 热量自然就变大了。对于热回流,管腿中心距及回填材料导热系数对其影响都是单一的,管腿中 心距越小或回填材料导热系数越大,热回流越强 烈。但它们对地埋管换热量的影响并不一致,管 腿中心距越小,单位管长换热量就越小,而回填材 料导热系数大,一方面强化了热流回流,另一方面 也强化了u形管与土壤间的传热,且后者的影响 要大于前者的影响,所以随着回填材料导热系数 的增加,换热量还是增加的。
3.6 钻井深度对u型埋管换热性能的影响
设进口水温为6℃。为了研究钻井深度对u 型埋管换热性能的影响,分别建立40、60、80、90、 100m井深的几何模型,。同时,考虑到流速对其 的耦合影响,分别在流速为0.12、0.2、0.4、0.6、 0.8、1.0、1.2m/s时进行模拟计算。模拟结果如 图8、9所示。
从图8中可以看出,在井深为40m、80m、 90m、100m时,流速对单位管长换热量的影响和 60m井深情况相似,即当流速小于0.4m/s时,换 热量随流速增加显著增长,之后变慢。从图9可 以看出,当流速较低时,单位管长换热量随井深的 增长有着较显著的降低,而随着流速的变大特别 是当流速大于0.6m/s时,井深对单位管长换热量的影响已经非常微小。这是因为当流速比较大 时,水在管中流动的很快,两根管腿间的温差也比 较小,热回流现象比较弱且作用时间很短,因此产 生的热流损失就比较小,所以,虽然增加井深可以 一定程度加大热回流的作用时间,但总的来说作 用时间还是很短的,对单位管长换热量的影响并 不明显。
3.7 模型的实验验证
为检验所建模型,在实验室地源热泵装置上 进行了有关实验。试验装置情况见文献[7]。将 实验装置参数及其岩土热物性参数输入模型,计 算结果与实验结果吻合较好,相对误差小于7%。
4 结论
(1)在进口水温一定时换热量随流速的增大 而增加,且增加趋势逐渐放缓,但随着流速的增大 也会增加循环水泵的扬程,综合考虑换热量大小 和循环水泵功耗,冬季工况u形管内流速选取0. 6~0.8m/s是比较适宜的。对于同一个地区,相 同的土壤和回填物性下,地埋管中水与周围土壤 的温差较大,可以增加单位管长换热量,减少换热 器设计容量;
(2)随着土壤导热性能的提高,地埋管换热 器的单位管长换热量增长非常明显,这就意味着 可以节省管材和钻井费用,减少初投资。回填土 导热系数对地埋管换热器性能的影响效果随土壤 导热系数的增大而增加。土壤传热性能对地埋管 换热器换热的影响要远远大于回填材料对其的影 响,但每个地方的土壤物性是固定的,非人力所能 更改,而回填材料则不然,我们可以通过研究配置 出比较合理的回填材料组成,在施工时进行回灌,从而强化换热;
(3)单位管长换热量随着u形管管腿中心距的增大而增加。当管腿中心距较小时,回填材料导热系数对u形管换热的影响要更大些。u形管 管壁的导热热阻很小,所以增加u形管管材的导热性能并不能明显的强化u形管的换热过程;
(4)当u形管中水流速较低时,单位管长换热量随钻井深度的增长有着较显著的降低,但随着流速的变大,井深对单位管长换热量的影响变 得非常微小。使用推荐流速0.6~0.8m/s,在相同的流速和进口温度下,钻井深度增加单位井深 换热量变化不大,而总换热量却成线性增长,因此采用较深的井不仅可以得到更大的总换热量,还可以减少占地面积,充分发挥竖直埋管系统的优 势。