单U埋管换热器热短路影响因素分析.pdf

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1、吴金星等：单u埋管换热器热短路影响因素分析1O1单U埋管换热器热短路影响素分析吴金星，潘彦凯。，李俊超，伍焱兵。，王志杰，谷海华(1．郑州大学(化工与能源学院)节能技术研究中心。郑州450001；2．郑州自动化研究所，郑州4500013．河南新飞电器有限公司。河南新乡453002)【摘要】针对地源热泵系统中单U型地埋管换热器支管间的传热问题建立三维模型，用FLUENT软件进行模拟计算。用换热器效率衡量U型管支管间的热短路情况，研究了流体速度、进口水温、支管中心距、回填材料、管材和管径对u型管支管间热短路的影响。研究结果表明，

2、U型管支管中心距和回填材料对热短路的影响最为明显。【关键词】换热器；u型地埋管；热短路；换热器效率【中图分类号】TU832．22【文献标识码】B【文章编号】1001—6864(2012)02—0101—03地埋管地源热泵系统运行时，流体从U型管一端流入从分别取30、60、90、120、150与180m，土壤半径为3m，钻井直另一端流出，使管内流体温度升高或降低。由于受钻井直径径为180mm，U型管外径为25mm，内径为20mm，两支管中的限制，u型管的两个支管间距较小，且存在温差，使得两管心间距为100mm。地埋管换热器管内

3、流体流速通常在0．25间必然发生热量回流，即热短路。两个支管间热量的相互交—1．2m／s之间，本文分别取0．2、0．4、0．6、0．8、1．0、1．2m／s换，使制冷工况下的出口温度升高，或制热工况下的出口温度进行研究。降低，进出口温差减小，从而使系统运行效率降低。1．3计算方法田刚等⋯以土壤源热泵系统中水平埋地换热管为研究用结构化网格对计算区域进行网格划分，近壁节点采对象，分别从埋管管材，埋管埋深以及埋管规格三个方面进用壁面函数法处理，稳态隐式格式求解，采用标准k—方程行了分析与研究，总结出埋地换热管物性参数对埋管换热湍流

4、模型；压力速度的耦合采用SIMPLE算法；动量、能量以性能的影响。沈国民等通过建立有限元数学模型，对U及湍流参量的求解采用二阶迎风格式。迭代运算的过程型埋管换热器热短路现象进行量化，建议尽量增大两个支中，能量方程残差控制在1O数量级，其余方程组残差控制管问距以有效减少热短路。杨卫国等对地源热泵热短路在lO数量级。进行了实验研究，通过增大U型管内流体流量、增大两个支2模拟结果及分析管间距、改变回填材料导热系数来减小热短路。这里定义一个U型管换热器的效率。用U型管与周1计算模型围土壤实际所传递的热量Q与将支管(支管间距无限大，之

5、1．1数学描述间无相互热干扰；Qi表示此种情况下进水管与周围土壤的流体流动与传热过程都遵循三个最基本的物理守恒规换热量，Q表示出水管与周围土壤的换热量)分别置于无律，即质量守恒、动量守恒和能量守恒定律，这些守恒定律限大土壤中时所传递的热量之和的比值来表示，即=的数学描述就是控制方程，其通用形式见参考文献[4]。。s越接近，说明U型管支管间热短路现象越不1．2模型参数明显，反之，则热短路现象越严重。嘴在夏季制冷工况下，对各个影响热短路现象的因素进行研究。2．1流体速度对U型埋管换热器热短路的影响流体速度是影响换热量的重要因素，

6、速度增加使U型贼管内流体流量增加，在一定程度上增加了换热量，但是提高蕾速度的同时也增加了系统的运行能耗，并且流体速度亦对u型管间的热短路有一定的影响。下面对井深150m、不同流速的U型管两个支管间的热短路进行分析，如图2所示。由图2可以看出：①随着流体速度的增加，U型埋管换热所建模型结构如图1所示。模拟的垂直u型埋管深度器的换热量Q增加。这是由于相同工况下，流体速度增加使[基金项目]郑州科技创新团队建设项目102低温建筑技术2012年第2期(总第164期)得单位时间内埋管中流体流量增加，进而使得换热量增加；②井壁的结合紧密程

7、度等。这里选用文献[5]中所提供的回随着流体速度的增加，换热器效率提高，即u型埋管换热器填材料导热系数进行研究，为了研究方便，又假设了几种类支管间的热短路现象随着流体速度的增加逐渐减弱。这是由型的回填材料，对夏季工况下，150m井深、流速为0．4m／s的苣棚霰鞲于流体速度的增加使U型管两支管内流体温差减小，支管间情况进行模拟，回填材料的导热系数分别取0．78、1．12、换热量减小，热短路现象减小。虽然流速的增加既增加了换1．86、2．45、3．5、4．OW／m·k。计算结果如图4所示。热量又减小了热短路，但是过大的流速会造成

8、U型管沿程压降增加，因此不宜过大，一般取0．4～0．8m／s。褂蠢一～＼＼／／一一稚霰回填材料导热系数，W·in-1·K一1图4回填材料导热系数对热短路的影响流速m·S-I由图4可以看出：①随着回填材料导热系数的增加，U图2流速对热短路的影响型埋管换热器的换热量p出现先增加之后逐渐减小的趋