单u型地埋管换热器换热性能模拟探究

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1、单U型地埋管换热器换热性能模拟探究　　摘要：单U型管换热器与上壤间的传热受诸多因素的影响，为分析这些因素对于U型管传热的影响，本文用GAMBIT软件建立单U型管换热器与周围土壤换热的物理模型并进行网格划分，在此基础上用FLUENT软件进数值模拟。经过整理分析，得到U型管的埋管深度、进口水温、管内流速、回填材料的导热性能等一系列因素对U型管传热量的影响规律，为优化工程设计提供依据。关键词：地源热泵；单U型地埋管换热器；换热性能；模拟研究中图分类号：TU74文献标识码：A文章编号：1．引言地源热泵具有效率高，对环境的影响小等优点。目前在国

2、内外已得到很好地推广与应用。地源热泵系统通常以土壤、地下水和地表水作为热源,以土壤为热源的热泵系统称之为土壤源热泵。土壤源热泵是目前应用最为广泛的一种形式。而地下换热器是土壤源热泵的重要组成部分。土壤换热器主要有水平埋管和竖直钻井两种设置形式，水平埋管形式占地面积大、开挖量大、受室外温度影响大，而竖直钻井形式可克服以上缺点，因而应用更为广泛。竖直土壤换热器主要有单U型、双U型和套管39种形式。与套管式换热器的施工相比，单U型和双U型换热器的施工简单、承压高、管路接头少、不易泄漏等优点，因此应用较为广泛。其中以单U型管最为常见。目前，在

3、国内大部分土壤源热泵采用的都是单U型地埋管换热器。提高单U型管的换热性能对地源热泵系统有重要意义。本文建立了单U型地埋管换热器实际尺寸的三维模型，用FLUENT对不同流量、进口温度、回填材料和钻井深度下单U型换热器进行模拟计算，分析U型管的埋管深度、进口水温、管内流速、回填材料的导热性能等一系列因素对U型管传热量的影响。为优化工程设计提供依据。2．数值方法2.1物理模型本文建立的是与实际U型埋管换热器形状基本一致的模型，考虑到U型埋管换热器几何形状比较特殊及其与周围土壤间传热比较复杂，为了方便数值求解，对模型进行如下简化与假设：（1）

4、地埋管换热器周围土壤是均匀的；（2）因U型埋管直径相对管长来说通常很小，可认为任意横截面内的循环液介质温度一致;（3）忽略土壤及循环液的热物性在U型地埋管运行过程中的变化;（4）忽略U型地埋管外管壁和回填材料、回填材料和土壤之间的接触热阻;（5）忽略地下水流动的影响；（6）钻井之间距离足够大，忽略钻井间的热干扰。9模型采用的钻井的深度为100m,钻井直径为160mm,U型管支管间距为80mm,管材为高密度聚乙烯管(PE),其导热率为0.44W/m.K。工质为水,流速为0.4m/s。土壤半径取3m。2.2数学模型模型的建立考虑两方面:管

5、内流体的流动和周围固体介质(包括管壁、回填材料、土壤)中的导热过程：管内流体的导热方程：管壁的导热方程：回填材料的导热方程：土壤的导热方程：式中:为流体的温度(℃),为管壁温度(℃)为回填材料温度(℃),ts为土壤温度(℃);u为流速(m/s);为流体密度(kg/m3);为流体的比热容(KJ/(Kg.K);h为流体与管壁的对流换热系数(W/(m2.K));r为管内径(m);为管壁导温系数(m2/s),为回填材料导温系数(m2/s),为土壤的导温系数(m2/s);t为计算时间(s)。2.3网格的划分本模型包括的几何体有土壤、回填土、U型

6、管和U9型管内的水四部分。径向上由于管内水的粘性作用，靠近管壁处的网格要进行加密处理。另外，根据温度梯度大小的变化，回填土和土壤的网格划分也是由密到稀。图1从左至右分别对应水平面上流体的网格划分、管壁的网格划分、回填土的网格划分、土壤的网格划分。2.4边界条件的设定将U型管内流体区域定义为FLUID,管壁、回填材料和土壤区域定义为SOLID。U型管进口定义为VELOCITY-INLET,出口定义为了OUTFLOW,定义模型的顶面和底面为WALL，模型的最外层及各个耦合面也定义为WALL,由于模型是对称体的一半，对称面要定义为SYMME

7、TRY的边界类型。3．模拟结果与分析3.1U型管换热量随钻井深度的变化为了研究钻井深度对U型管换热量的影响。本文在夏季工况下，取进口水温为308k，进口流速为0.4m/s回填土导热系数为2.7W/（m･K)，钻井深度分别取30m、60m、90m、120m、150m、180m进行模拟计算。得到U型管总换热量和单位井深换热量随钻井深度的变化分别如图2。9由图2可知，随着钻井深度的增大，U型管的总换热量不断增加。这是因为井深越大，在流速不变的情况下，管内流体流经埋管所用的时间越长，管内流体与周围所交换的热量也越多。所以U型管的

8、总换热量会增加。并且，随着井深的增大，曲线的斜率慢慢变小。说明，随着井深的增大，U型管总换热量的增幅越来越小。由图3可知，随着钻井深度的增大，单位井深换热量越来越小。可见，埋管并不是越深越好。这是由于循环水在Ｕ型管内的流