单u形和双u形地埋管换热器传热模拟

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1、暖通空调ＨＶ＆ＡＣ２０１２年第４２卷第５期专题研讨１０８单Ｕ形和双Ｕ形地埋管换热器传热模拟机械工业第六设计研究院马健☆郑中援摘要以单Ｕ形和双Ｕ形地埋管换热器为研究对象，应用ＦＬＵＥＮＴ软件对其传热性能进行了数值模拟。将计算结果与实验测试结果进行比较，验证了该模拟模型的准确性。结果表明，在排热工况下，单Ｕ形管换热器的单位井深换热量约为８６Ｗ／ｍ，而双Ｕ形管换热器的单位井深换热量达到１２０Ｗ／ｍ。在打井费用较高的场合，可以考虑使用双Ｕ形管。研究了进口水温、流速以及埋管深度等因素对Ｕ形管传热量的影响。关键词地源热泵地埋管换热器Ｕ形管传热性能换热量Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｈｅａｔｔｒａｎ

2、ｓｆｅｒｃａｐａｃｉｔｙｏｆｓｉｎｇｌｅａｎｄｄｏｕｂｌｅＵ－ｔｙｐｅｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｒｓＢｙＭａＪｉａｎ★ａｎｄＺｈｅｎｇＺｈｏｎｇｙｕａｎＴａｋｉｎｇｔｈｅｓｉｎｇｌｅａｎｄｄｏｕｂｌｅＵ－ｔｙｐｅｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｒｓａｓｏｂｊｅｃｔｓ，ｓｉｍｕｌａｔｅｓｔｈｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒＡｂｓｔｒａｃｔｃａｐａｃｉｔｙｂｙＦＬＵＥＮＴｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｃｏｍｐａｒｅｓｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｒｅｓｕｌｔｓｗｉｔｈｔｈｏｓｅｆｒｏｍｔｅｓｔｉｎｇ，ｖｅｒｉｆｙｉｎｇｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙｏｆｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌ．Ａｓａｒｅｓｕｌｔ，ｏｎｈｅａｔｅ

3、ｘｔｒａｃｔｉｏｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙｐｅｒｕｎｉｔｗｅｌｌｄｅｐｔｈｏｆａｓｉｎｇｌｅＵ－ｔｙｐｅｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｒｉｓ８６Ｗ／ｍ，ｗｈｉｌｅｔｈａｔｏｆｄｏｕｂｌｅＵ－ｔｕｂｅｉｓ１２０Ｗ／ｍ．ＴｈｅｄｏｕｂｌｅＵ－ｔｙｐｅｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｒｉｓｍｏｒｅｓｕｉｔａｂｌｅｔｏｗｈｅｒｅｔｈｅｗｅｌｌｄｒｉｌｌｉｎｇｅｘｐｅｎｓｅｉｓｈｉｇｈｅｒ．Ｓｔｕｄｉｅｓｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｆａｃｔｏｒｓｏｆｉｎｌｅｔｗａｔｅｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｗａｔｅｒｆｌｏｗｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｄｄｅｐｔｈｏｆｇｒｏｕｎｄ

4、ｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｒｏｎｔｈｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃａｐａｃｉｔｙｏｆｓｉｎｇｌｅＵ－ｔｙｐｅｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｇｒｏｕｎｄ－ｓｏｕｒｃｅｈｅａｔｐｕｍｐ，ｇｒｏｕｎｄｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｒ，Ｕ－ｔｕｂｅ，ｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙ★Ｎｏ．６ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＰｒｏｊｅｃｔＰｌａｎｎｉｎｇ＆ＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＭａｃｈｉｎｅｒｙＩｎｄｕｓｔｒｙ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ，Ｃｈｉｎａ＊引言目前国内的地源热泵工程中，地埋管换热器的埋管形式主要分为三种：单Ｕ形、双Ｕ形及Ｗ形，本文主要

5、针对前两种埋管形式的换热器在稳定运行期间的传热进行研究。笔者采用ＦＬＵＥＮＴ软件作为建立数学模型和数值计算的工具，利用它不仅可以建立与单Ｕ形管及双Ｕ形管形状完全相同的三维数学模型，而且进一步提高了建模和计算效率。０图１单Ｕ形管的管脚布置由于Ｕ形管很长，管内流动充分发展，沿管长方向流态变化很小，所以在弯管以上的两段直管段以及管内的流体段中以１ｍ为间距在竖直方向上布置网格。而在Ｕ形管转弯处的半圆管模型的建立建模工作在ＧＡＭＢＩＴ软件中进行。本文所模拟的Ｕ形管内径为２６ｍｍ，外径为３２ｍｍ，两支管脚的中心距为１６０ｍｍ。土壤的远边界半径为２．５ｍ。为避免划分的网格数过多，从而导致后期的

6、计算处理速度过于缓慢，将Ｕ形管的埋深设置为３０ｍ。单Ｕ形管及双Ｕ形管的管脚布置如图１与图１＊☆马健，男，１９８３年１２月生，硕士研究生，工程师２１００１８南京市玄武区四牌楼蓁巷６号２单元６０４（０）１８６５２００３１８４Ｅ－ｍａｉｌ：ｍｊｒｏｃｋｅｔ＠１６３．ｃｏｍ收稿日期：２０１１－０２－１４修回日期：２０１１－０５－２６２所示。２０１２（５）马健，等：单Ｕ形和双Ｕ形地埋管换热器传热模拟１０９边界条件设置如下：Ｕ形管进口处定义为ＶＥＬＯＣＩＴＹ＿ＩＮＬＥＴ，随后在ＦＬＵＥＮＴ中给定进口流速和水温的边界条件；出口处为充分发展流动状态，选择ＯＵＴＦＬＯＷ边界类型；距Ｕ形管最远处认为

7、是无限远处，定义为定温壁面型边界条件；竖直方向上的顶面除了Ｕ形管的进出口外还有管壁和土壤的顶面，它们的边界条件性质是一样的，要与外界空气进行对流换热，故定义为对流换热型墙面；另外内管壁，即流体与固体的分隔面要定义为一个墙面；其他内界面定义为ＩＮＴＥＲＩＯＲ，作为内部边界。在ＧＡＭＢＩＴ中还要对固体区域和流体区域定义，管内为流体，其他管壁与土壤部分均为固体。图２双Ｕ形管的管脚布置段流体转向会产生很多旋涡，流场变化剧烈，因此沿流向作３０等分，并密集布置网格。土壤的网格在靠近Ｕ形管处较