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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
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地下水流動對地下埋管換熱器影響的實驗研究

點擊:1850 日期:[ 2014-04-26 22:55:02 ]
bsp;            地下水流動對地下埋管換熱器影響的實驗研究                          1.范 蕊   2.馬最良  2.姚 楊  2.李 斌(1.同濟大學中德工程學院,上海200092;2.哈爾濱工業大學市政環境工程學院,哈爾濱150090)    摘要:為確定地下水滲流對豎直地下埋管換熱器的影響,該文從實驗角度出發,分別對無滲流土壤、飽和土壤中地下埋管換熱器熱負荷對其周邊土壤溫度場的影響,有滲流土壤中地下水流速、土壤初始溫度以及埋管熱負荷對土壤溫度場的影響進行了實驗,從而得出在夏熱冬冷地區或亞熱帶地區應用土壤源熱泵時,宜采用冷卻塔.土壤源熱泵混合系統形式或將地下埋管換熱器埋設在地下水流速較大地區,以期土壤源熱泵的長期良好運行。    關鍵詞:地下水流動;地下埋管換熱器;實驗研究    中圖分類號:TK52 文獻標識碼:A    0 引 目    土壤源熱泵在我國發展前景廣闊,但其影響因素很多(其中土壤熱特性參數的不確定性是地下埋管換熱器設計時最關鍵的問題),而且這些參數易變、很難從標準中估計得到⋯。目前的巖土熱物性參數測試常采用現場取樣,再用標準平板導熱儀進行測量,從而得到巖土的熱物性參數(ρ、 λ、c)。這僅考慮了熱傳導的過程,而忽視了地下水流動對其的影響,勢必影響現場測試結果的精度,最終引起換熱器大小的變化。Cane和Forgas_2 估計當前北美土壤源熱泵工程實例中地下埋管換熱器的管長都超長10% 一30%,這使得土壤源熱泵更難于在短期內回收資金。此外,在美國明尼蘇達州曾出現現場測試的土壤導熱系數極度偏高,后經分析是地下水流動引起的。    土壤是固、液、氣多孔介質,對于垂直U型埋管換熱器,管段大部分位于地下水位線以下的土壤飽和區內,因此地下水滲流的影響尤為重要,尤其對于孑L隙率較高、滲流系數較大的含水層。此時,地下埋管周圍土壤內發生的是熱傳導和地下水滲流共同作用下的復雜的、非穩定的傳熱傳質過程,簡稱熱滲耦合傳熱過程。    在對該問題進行理論研究之后,本文又進一步對該問題展開實驗研究,實驗設備、實驗數據及分析如下。    1 實驗臺    實驗臺主要由砂箱、風冷冷水機組、冷水箱、熱水箱、電加熱設備、溫度測量裝置等部分組成(如圖1)。為模擬地下埋管換熱器,在砂箱中心安裝了一根功率可調的電加熱器作為線熱源。其設備尺寸及規格見表1。                          1.1 砂箱    為模擬地下水流過地下埋管區域,在圖1所示的砂箱的中心沿水平方向設置一根電加熱器模擬線熱源,并且在砂箱體制作過程中采用了類似夾心保溫的結構型式處理砂箱周邊以模擬絕熱邊界條件,此外,砂箱上設有固定水箱與移動水箱,以此來創造不同滲流速度所需的穩定壓頭。    1.2 地下水溫控制系統    由于在實驗過程中需要模擬不同溫度的地下水,為此試驗臺設有水溫控制系統,該系統由熱水箱、冷水箱以及冷水機組組成。熱水箱中安裝有3組電加熱器,分別為lkW 兩組、500W 一組,其中一組lkW加熱器可調;由冷水機組制備的冷凍水,通過泵Ⅱ送人冷凍水箱,根據實驗需要,通過調節冷、熱水的混合比和微調電加熱器的加熱量以便精確調節砂箱的進水溫度。                     1.3 測溫裝置    在實驗過程中,為模擬土壤溫度場分布、變化規律以及進出口水溫的變化,需在土壤中以及水路進出口處設置測溫裝置。為減小溫度測量誤差,埋設于沙土中的測溫元件采用復現性較好的Ptl00鉑電阻溫度計,精度為0.1℃,同時為減小連接導線電阻隨溫度變化對測量精度的影響及所選用溫度顯示終端的接線要求,Ptl00鉑電阻溫度計采用三線制接法。測點布置如圖2所示,在豎直中間斷面上從上到下布置9個間隔為70mm的Ptl00鉑電阻溫度計測點,在水平中間斷面一側布置4個間隔為80mm的Ptl00鉑電阻溫度計測點,水平斷面僅布置一側,主要是考慮溫度場對稱所以不需要兩側都布測點。此外,從上到下9個Ptl00鉑電阻溫度計測點中每兩個測點中間又布置一個銅、康銅熱電偶溫度測點,并在水平布置的Ptl00鉑電阻溫度計測點中間也各布置一個銅、康銅熱電偶溫度測點,這樣的布置方式既可以減小測點間距離,從而更好的描繪土壤溫度場分布及變化,又可以間隔布置方式從而避免實驗中某類溫度計出現較大誤差而影響實驗結果。熱電偶溫度計配備WJK—E多路數據采集儀,可以實現數據打印或將數據直接傳輸到計算機中,為實驗提供了方便。                    為測量砂箱進出水溫度,在進出口位置分別安裝玻璃水銀溫度計,人口水銀溫度計安裝在如圖1所示的16#溫度測點,出口溫度計位于回水箱處。溫度計最小分度為0.1℃,量程為0—50℃。其中,人口處溫度計安裝時為減小測量誤差,將溫度計置于充滿導熱油的薄壁銅質套管中,并使套管中溫度計的感溫包位于管道的中心處,同時為減小套管外露部分對溫度測量的影響,對套管的外露部分作保溫絕熱處理。實驗中所用的測溫元件都經過水浴標定,整個實驗臺外景如圖3所示。                    2 實驗過程及數據分析    在實驗過程中,為對比分析無滲流情況下、飽和(土壤飽和但無地下水流動)情況下以及有滲流情況下地下埋管換熱器的換熱情況,對3種工況下的土壤溫度場分別進行監測,并且在首先進行的無滲流工況實驗過程中,為了數據可靠,在每種加熱器功率(20、40、60、80W)情況下重復實驗3次,以獲得可靠的實驗數據;此外,在土壤飽和情況下,也分別對4種加熱器功率工況進行實驗;在有滲流情況下分別針對不同的地下水流溫度,即土壤初始溫度、地下水流速度、加熱器功率進行了實驗。    2.1 三種土壤工況下溫度場的實驗結果分析    2.1.1 中心測點不同時刻溫度的變化分析    圖4為加熱器功率20W時,有滲流、無滲流及飽和土壤中中心測點6的溫度變化曲線。在實驗中,由于每種工況的測試時間根據加熱器加熱后波及到邊界點且邊界點溫度都升高約0.5℃左右而定的,所以3種情況下的加熱時間各不相同,例如,有滲流情況下的加熱時間最短為8h;無滲流土壤中加熱時間為9.5h;而飽和土壤中加熱時間最長為l3.5h。                     從圖4可知,在加熱初期,溫度變化都比較劇烈,但隨著時間延長,溫度變化逐漸平緩;無滲流情況與飽和情況下中心點初始溫度較為接近,但從該圖中可明顯看出無滲流情況下土壤溫度升高較快,在初始的7h內,無滲流土壤中中心測點6的溫升率達到1.532~C/h;飽和土壤中測點6的溫升率為0.893℃/h;而有滲流土壤中測點6的溫升率僅為0.867cC/h。此后,雖然各種土壤中測點溫升率都逐漸下降,但無滲流土壤中測點6的溫升率仍然最高,為1.074~C/h;飽和土壤中測點溫度變化最為緩慢,溫升率為0.476℃/h;有滲流土壤中中心點溫升率為0.721℃/h,超過了飽和土壤中測點溫升率。溫度的這種變化主要是由以下幾點引起的:    1)土壤中水的比熱容為3740 J/(kg·℃)左右,土壤的比熱容為2291 J/(kg·℃),因此飽和土壤和有滲流土壤的總熱容都比無滲流土壤的總熱容大,所以無滲流土壤中測點溫度變化最快。    2)在飽和土壤中,起主導傳熱作用的為土壤及水中的熱傳導,而對有滲流土壤而言,起主導傳熱作用的是土壤及水的熱傳導以及水流動引起的對流換熱。在加熱開始后的一段時間內,由于有滲流土壤中水的對流換熱增強了土壤的傳熱能力,因此加熱器傳給附近土壤區域的熱量會迅速被帶走。而飽和土壤中相對而言傳熱能力較弱,加熱器傳給周邊土壤的熱量會逐漸堆積,因此該段時間內有滲流土壤中心點溫升沒有飽和土壤中心點溫升高;但隨著加熱時間的延長,當飽和土壤中加熱器周邊土壤的溫度達到一定程度時,就會阻礙加熱器繼續向土壤中散熱,而有滲流土壤中水的對流換熱會使得加熱器周邊土壤溫度沒有迅速達到極限,而是逐漸緩慢升高,因此此時測點6的溫升會逐漸高于飽和土壤中溫升,正如上述數據所示。    由此可知,當盤管埋在無滲流土壤中時,夏季空調工況下盤管向周圍土壤排出的熱量極易在盤管附近累積,長期運行后將會造成冷凝器冷凝溫度逐漸升高、系統運行效率逐漸下降,因此土壤源熱泵應用于夏熱冬冷地區或夏季冷負荷偏大的地區時,在夏季要酌情考慮采用冷卻塔與之混合應用的冷卻塔一土壤源熱泵系統形式 ;此外,若盤管埋在有滲流土壤中,此時土壤的傳熱能力最強,盤管放出的熱量會很快被轉移,而且較高的熱容不會使得溫升過快,比較有利于盤管長期運行,因此對于夏季冷負荷偏大地區土壤源熱泵也宜埋在滲流速度大的地區。但若盤管埋在飽和土壤中,盤管周圍的土壤雖然溫升不是很快,但較大的熱容與較弱的傳熱能力也極易使熱量累積起來,因而也不利于盤管長期運行。    2.1.2 同一時刻不同測點溫度變化分析    本文選取上游、下游、中游的端部測點和中心測點,對其在同一時刻的溫度變化進行分析,即圖2中的5、3、13測點和6測點,各點溫度的實驗結果列入表2中,表中滲流速度單位為m/a。    表2中0、2、5、8h分別表示初始時刻、第2小時時刻、第5小時以及第8小時時刻,每一時刻對應的溫差為上、下、中游測點與中心測點的溫差,因為加熱時中心點溫度最高,所以溫差值都為負值。    對于無滲流土壤而言,加熱8h后上、下游測點的溫升率都為0.162~C/h,而中游端部測點l3的溫升率為O.099~C/h,略低于上、下游端點的溫升率,其原因為:布置測點時橫向鉑電阻測點的間距為80nma,而縱向鉑電阻測點的間距為70mm,因此l3測點距中心測點6距離為240mm,而5、3測點距中心測點6距離為210mm,二者相差30ram。因此可以說實驗結果表現出無滲流土壤中盤管截面土壤的溫度場近于圓形分布。                                    表2 三種情況下端部及中心測點溫度               飽和土壤中測點溫度變化與無滲流土壤類似,上、下游測點5、3的溫升率分別為0.075、0.076℃/h,中游測點l3的溫升率為0.067℃/h,低于5、3測點的溫升率,其原因亦如上所述;但同時我們發現,飽和土壤中上、下游測點的溫升率比無滲流土壤中該兩測點的溫升率小了0.087℃/h,僅占后者的53.63% ,其原因為:    1)飽和土壤的總熱容高于無滲流土壤的熱容,因此在土壤吸收同樣熱量的情況下,飽和土壤的溫升要小于無滲流土壤的溫升;    2)無滲流土壤中起主導傳熱作用的為土壤的熱傳導,土壤的導熱系數約為1.5 W/(m·K);而飽和土壤中的傳熱機制則主要為土壤與水的熱傳導以及水的自然對流,而其中土壤與水的熱傳導更起主導作用,但是由于水的導熱系數遠遠小于土壤的導熱系數(約為0.55 W/(m·K)),因此飽和土壤傳熱能力最弱,同樣條件下將加熱器的熱量傳到邊界所需的時間最長,這樣會引起中心點與其它點之間的溫差加大,但是實驗結果仍是其溫差比無滲流時要小,這充分說明飽和土壤總熱容較大是飽和土壤測點溫升率低于無滲流土壤中測點溫升率的根本原因。    從表2中還可看出:有滲流土壤中下游測點3的溫度變化最為顯著,加熱8h后溫升率達到0.187℃/h;中游測點l3的溫度變化次之,溫升率為0.087℃/h;而上游測點5的溫度變化最為緩慢,溫升率僅為0.037℃/h。由此可明顯看出水自上而下流動將熱量都轉移到砂箱下部,由此也可以看出盤管截面土壤溫度場的變形情況。    同樣從表2可知,加熱2h時,無滲流土壤中上、中、下游測點5、13、3的溫度與中心測點6的溫差分別為一6.413、一6.571、一6.704℃ ;飽和土壤中上、中、下游測點5、13、3的溫度與中心測點6的溫差分別為一4.216、一4.176、一4.006℃ ;而當地下水滲流速度達到250rrda時,上、中、下游測點5、13、3的溫度與中心測點6的溫差分別為一4.086、一4.145、一3.979℃ 。由此可見,加熱2h后無滲流土壤中端部測點與加熱器處中心測點的溫差已經達到一6.5℃左右,其絕對值遠高于其它兩種情況下的溫差絕對值,這恰恰說明了無滲流土壤中地下埋管散出的熱量在土壤中分配的均勻性差,使熱量累積在埋管附近的情況比較嚴重,不利于夏季熱泵機組的運行。這一結論從加熱器運行5h以及8h時的數據同樣可以看出。    因此,對于夏季負荷偏大地區應用土壤源熱泵時,不宜將其單獨置于無滲流土壤或飽和土壤中長期運行,宜將地下埋管換熱器埋設在地下水流速較大的土壤區域,地下水流動引起的對流換熱極大的增強了盤管周圍土壤轉移熱量(冷量)的能力,減輕了能量累積效應,方可避免土壤源熱泵長期運行出現出力不足現象。    2.2 有滲流土壤中各主要因素對溫度場影響    在有地下水流動的土壤中,地下水流速、地下水溫度(即土壤初溫)以及地下埋管的設計容量都對周圍土壤溫度場有較大影響,下面將根據實驗結果進一步分析各因素的影響程度。    2.2.1 地下水流速對土壤溫度場的影響    圖5為加熱器功率40W情況下不同地下水流速時土壤內各測點的溫度變化曲線,圖5a~圖5e分別為自上至下排列的測點4、6、9、11、3的溫度曲線。    從該圖可知,測點位置不同、地下水流速的影響也不同。    由圖5a可知,地下水流速越大,測點4的溫升越慢。當地下水流速從250m/a上升到1000m/a時,測點4的溫升率從0.681℃/h降到0.316℃/h。這是因為地下水流速越大,其帶人下游的熱量越多,從而小滲流速度時測點4的溫度比同一時刻下大滲流速度的溫度要高。由圖5b可知,加熱初期地下水流速對該點溫度影響較小,到加熱中后期,水流速度的影響逐漸明晰,同樣也是地下水流速越大、中心測點6的溫升越慢,當水流速度從250m/a上升到1000m/a時,測點6的溫升率從1.387℃/h降到1.111℃/h。                                                        圖5e為測點9的溫度變化曲線。在加熱開始后,4種水流速度情況下測點9溫度都逐漸上升,且水流速度越大、測點溫升越大,這是因為地下水流速越大,由地下水帶人測點9附近的熱量越多,使測點9溫度升高得越快。例如,當測點9溫度升至21℃,水流速度為1000m/a時需要3.25h,而水流速度為250m/a時則需要5.15h。但隨著測點9溫度的升高,地下水傳遞給測點9區域土壤的熱量也逐漸減少,因此在加熱7h后,水流速度250m/a與水流速度1000m/a兩種情況下測點9溫度都達到22.469℃,此后,水流速度1000m/a時的測點變化更為緩慢,測點9溫度逐漸達到一個平衡態;但對于水流速度較小情況而言,測點9溫度變化相對緩慢,而且由于水流速度較小使得此時的平衡態溫度相對較高,因此要達到平衡態所需的時間也較長。    圖5d為測點11的溫度變化曲線,該測點位于9測點之下。由圖可知,水流速度越大,測點1l的溫度越高,圖5e的情況與此相同,即隨著水流速度增加,測點3的溫度越高,但由于8h的加熱時間不足以使該兩點達到平衡,因此圖5d、圖5e上的溫度曲線一直處于上升趨勢。    由此可知,水流速度越大,盤管上游區域的土壤受盤管放熱的影響越小,而下游區域的土壤受盤管放熱的影響越大,從而使越大范圍的土壤容納盤管的放熱量,這更有利于埋管放熱。因此,將地下埋管換熱器埋設于水流速度大的區域較有利于提高熱泵系統的運行效率。    2.2.2 地下水溫度對土壤溫度場的影響    圖6是在加熱器功率20W、水流速度250m/a時不同水流溫度(或土壤初溫)情況下上、中、下游測點4、6、9的溫度變化曲線圖。由圖可知,不同的水流溫度對3個測點的影響規律基本一致,即水流溫度越高、測點溫度越高,且在每種水流溫度情況下測點的溫度變化曲線極為相似。因此,對于夏熱冬冷地區或亞熱帶地區,該地區夏季的地下水溫度(或土壤初溫)比北方地區地下水溫度(或土壤初溫)要高,因此夏季向地下釋放相同的熱量時,其土壤溫度值遠高于北方地區的土壤溫度值,就會造成該地區系統的冷凝溫度比北方地區高得多,從而降低系統的運行效率,甚至會造成系統無法運行。                                         2.2.3加熱器功率對土壤溫度場的影響    圖7為上、中、下游測點4、6、9在不同加熱器功率情況下的溫度曲線,其中水流速度為250m/a、初溫為18.5℃。由圖可知,加熱器功率越大各測點的溫度越高而且溫升率也越大,對于測點4,當加熱器功率從20W上升到80W時,4測點溫升率從0.325℃/h升高到1.414℃/h;而對于中心測點6,當加熱器功率從20w上升到80W時,6測點溫升率從0.721℃/h升高到2.858℃/h,同樣情況下下游測點9的溫升率從0.493℃/h升高到1.851℃/h。因此對于夏季冷負荷較大地區而言,土壤源熱泵地下埋管的夏季熱負荷(制冷工況下的冷凝熱)也較大,這樣使得在相同運行時刻時其土壤溫度值很高,隨之而來的冷凝溫度的升高會使土壤源熱泵運行時的性能系數大大降低,尤其是長期運行更是如此,因此在實際應用中要考慮采用冷卻塔一地源熱泵的混合系統形式或盡量將盤管埋在地下水流速較大的區域或加大地下埋管的面積,否則難以保證系統正常運行。                                         3 結 論    對埋設線加熱器的砂箱進行無滲流土壤、飽和土壤以及有滲流土壤的實驗結果表明:    1)地下水滲流對土壤溫度場影響較大,因此在應用土壤源熱泵時,土壤中是否有地下水滲流存在應予以考慮,本文中有無地下水滲流時土壤中心測點溫升率分別為0.721℃/h和1.074℃/h,與前者相比后者增加了48.96% ;    2)地下水滲流速度越大,地埋管區域土壤溫度場進入平衡態的時間越短,且土壤溫升率越低;土壤初溫(或地下水溫度)對土壤溫度場的變化規律沒有影響,僅是較高的初溫使得運行后的土壤溫度也較高。因此,在進行土壤源熱泵設計時應考慮土壤中是否有地下水滲流存在;地下水滲流極大的增強了盤管周圍土壤轉移熱量(冷量)的能力,減輕了能量累積效應,避免了土壤源熱泵長期運行出現出力不足現象,因此,地下埋管應盡量選擇埋設在地下水流速較大的地區。
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