潮汐影響下的豎埋螺旋盤(pán)管換熱器實(shí)驗(yàn)研究

潮汐影響下的豎埋螺旋盤(pán)管換熱器實(shí)驗(yàn)研究

                            劉小冬  崔紅社  周恩澤

                        （青島理工大學(xué)山東青島266033）

    摘要：根據(jù)熱滲耦合理論，在相似理論的基礎(chǔ)上搭建了模擬潮汐漲落的地源熱泵砂箱實(shí)驗(yàn)臺(tái)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，潮汐的漲落對(duì)地埋管換熱器與土壤間的換熱性能及其周?chē)鷾囟葓?chǎng)產(chǎn)生一定程度的周期性影響。潮汐影響有利于地下埋管換熱器周?chē)寥罍囟葓?chǎng)的恢復(fù)，提高土壤源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行性能。

    關(guān)鍵詞：潮汐    豎埋螺旋管換熱器    熱滲耦合   實(shí)驗(yàn)研究

    中圖分類(lèi)號(hào)：TB657.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1672-9064(2010)03－0005－03

    潮汐影響下的豎埋螺旋盤(pán)管換熱器實(shí)驗(yàn)研究地源熱泵在生活中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，對(duì)地源熱泵系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性能和運(yùn)行特性的研究也日益受到重視。在地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，選擇合適的換熱器以及準(zhǔn)確地確定其容量是系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)、可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。本文選用的豎埋螺旋盤(pán)管適用于小型地源熱泵，兼有垂直埋管換熱器的占地面積小、換熱效果穩(wěn)定，較適用于海岸灘涂區(qū)域。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于豎埋管換熱器的傳熱模型都是基于純導(dǎo)熱的模型，一些較復(fù)雜的模型和應(yīng)用軟件對(duì)系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中的熱量累積效應(yīng)做了適當(dāng)?shù)目紤]，但是在地下水滲流方面由于問(wèn)題的復(fù)雜性，很少有人進(jìn)行深入的理論研究，僅提出過(guò)一些定性的分析。然而由于豎埋管的埋深較大，實(shí)際上在其穿透的地層中或多或少地都存在著地下水的滲流，尤其是在沿海地區(qū)或地下水豐富的地區(qū)甚至有地下水的流動(dòng)，對(duì)地埋管的換熱性能影響較大。Eskilson［1］利用Carslaw［2］等給出的移動(dòng)線熱源問(wèn)題的穩(wěn)態(tài)解析解，討論了達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后滲流對(duì)地?zé)釗Q熱器的影響。由于換熱器影響范圍大，通常需要數(shù)年或更長(zhǎng)的時(shí)間才能達(dá)到基本穩(wěn)定，因此實(shí)際應(yīng)用中必須討論瞬態(tài)問(wèn)題；在無(wú)法求得解析解的情況下，Chiasson［3］等人利用有限元法數(shù)值求解了二維的滲流問(wèn)題，對(duì)一些實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行了計(jì)算和比較，但未能找到較一般的規(guī)律和結(jié)論；國(guó)內(nèi)刁乃仁［4］等人根據(jù)多孔介質(zhì)中有滲流時(shí)的能量方程，首次解析求解得到了有均勻滲流時(shí)線熱源引起的二維溫度響應(yīng)。研究證明地下水的滲流或流動(dòng)有利于埋管換熱器的傳熱，有利于減弱或消除由于換熱器吸、放熱不平衡而引起的熱量累積效應(yīng)，減少地?zé)釗Q熱器的設(shè)計(jì)容量。

    本文針對(duì)設(shè)置海岸灘涂區(qū)域地源熱泵進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。根據(jù)相似理論搭建了可以模擬潮汐影響的地源熱泵砂箱實(shí)驗(yàn)臺(tái)，研究地源熱泵制冷工況下潮汐帶來(lái)的水滲流對(duì)埋管換熱器換熱性能以及其周?chē)鷾囟葓?chǎng)的影響。

    1·理論依據(jù)

    根據(jù)M.Piechowski［5］所提出的理論，對(duì)于土壤初始含濕量遠(yuǎn)大于臨界含濕量的地區(qū)，地下?lián)Q熱器的換熱模型可以不考慮水分遷移對(duì)傳熱的影響，復(fù)雜的傳熱、傳質(zhì)耦合的數(shù)學(xué)模型對(duì)精確模擬地下?lián)Q熱器傳熱性能并不起很重要的作用。本課題所研究的灘涂區(qū)域，土壤初始含濕量遠(yuǎn)大于臨界含濕量，可假設(shè)換熱過(guò)程中，水分遷移引起土壤熱量傳遞而導(dǎo)致土壤傳熱系數(shù)的變化較不明顯，水分遷移引起的熱遷移量相對(duì)總的傳熱量可忽略不計(jì)，不考慮海水的流動(dòng)因素，換熱器傳熱性能與受潮汐影響的土壤含濕量有關(guān)。為了便于分析，本課題對(duì)問(wèn)題作出如下簡(jiǎn)化。實(shí)驗(yàn)所涉及的含水沙土層簡(jiǎn)化為一個(gè)均勻的多孔介質(zhì)，熱量的傳遞是由沙土和其中的流體的導(dǎo)熱和孔隙中流體的對(duì)流傳熱而實(shí)現(xiàn)的。由于滲流速度很低，忽略流體的動(dòng)能和耗散。本實(shí)驗(yàn)主要目的是研究潮汐對(duì)換熱器與周?chē)寥罁Q熱能力的影響，對(duì)換熱器的具體形式要求不高，本實(shí)驗(yàn)選取單一單元的地下螺旋埋管進(jìn)行研究，由于埋管半徑較之于其影響區(qū)域較小，簡(jiǎn)化為線熱源進(jìn)行處理，不考慮地下螺旋埋管結(jié)構(gòu)內(nèi)部的影響。

    2·實(shí)驗(yàn)研究與分析

    2.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

    實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，主要由1個(gè)沙箱，1個(gè)電加熱裝置，1個(gè)保溫水箱組成，通過(guò)加熱裝置的放熱量模擬換熱器負(fù)荷，保溫箱儲(chǔ)水，通過(guò)其向沙箱注水模擬漲潮工況，沙箱泄水，模擬退潮工況。

    豎直螺旋埋管只對(duì)其外側(cè)2.0m以內(nèi)的土壤溫度場(chǎng)形成影響［6］，考慮到潮汐的影響、土壤中含水量較大等因素，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)沙箱原始尺寸為：沙箱長(zhǎng)度為5m.，寬度為4m，高度為3m；實(shí)際試驗(yàn)中，根據(jù)相似定理，實(shí)驗(yàn)所需的尺寸按照原始尺寸1∶4的比例縮減，沙箱外圍尺寸1400mm×1000mm×1000mm，沙體尺寸1250mm×1000mm×750mm。沙箱周?chē)友b保溫材料模擬絕熱邊界條件，在沙箱的底部裝有濾板防止實(shí)驗(yàn)土壤流失，并在低于過(guò)濾板60mm處加裝可以泄水的隔板模擬土壤不透水層。沙箱單側(cè)留有注水槽，注水槽與箱內(nèi)砂體間裝有濾網(wǎng)，能夠防止砂體流失并且可以使水均勻的滲入。模擬漲潮時(shí)，向注水槽注水，隨著水位的上升，水從透過(guò)濾網(wǎng)從注水槽和底部滲入砂體；模擬退潮時(shí)，沙箱泄水，沙土中的水分從底部濾網(wǎng)和注水側(cè)滲出。設(shè)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)水的速度。這時(shí)土壤含水量會(huì)發(fā)生變化，加裝4個(gè)泄水孔以調(diào)節(jié)泄水速度。為了保證土體中水滲流的穩(wěn)定性和均勻性，在土體上端設(shè)置2層鐵紗網(wǎng)覆蓋在沙體上，距離沙箱頂部留有約100mm的空余，可模擬潮水浸沒(méi)地下埋管鋪設(shè)區(qū)域時(shí)的情況。

    實(shí)驗(yàn)采用Pt100電阻溫度計(jì)測(cè)量埋管周?chē)寥罍囟葓?chǎng)的變化，埋管中軸線、周?chē)寥乐屑捌涫寄┒嗽O(shè)置測(cè)溫點(diǎn)，距離盤(pán)管越近越密集。

    2.2實(shí)驗(yàn)步驟與結(jié)果分析

    本實(shí)驗(yàn)?zāi)M夏季海岸灘涂區(qū)域地埋管的運(yùn)行工況，土壤的初始溫度為25℃。

    實(shí)驗(yàn)分為2個(gè)階段進(jìn)行：

    第1個(gè)階段，對(duì)未受潮汐影響情況下埋管換熱器間歇運(yùn)行工況進(jìn)行測(cè)試，采用Pt100電阻溫度計(jì)測(cè)量埋管周?chē)寥罍囟葓?chǎng)的變化情況。此時(shí)土壤含水量未受到潮汐影響為非飽和土壤，換熱器運(yùn)行15h后關(guān)閉電加熱器進(jìn)行無(wú)加熱情況下散熱［7］，加熱功率40W，周期為24h。

    第2階段是對(duì)潮汐影響下的換熱器進(jìn)行測(cè)試，向沙箱內(nèi)注水和泄水模擬潮汐變化。通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)控制注水和泄水的速度。根據(jù)連云港碼頭2001～2003年的實(shí)測(cè)資料：漲潮時(shí)間為5h 40min，落潮時(shí)間為6h 20min，潮水的平均潮差為3.5m。試驗(yàn)中，在時(shí)間尺度不變的情況下計(jì)算出漲潮時(shí)注水速度為0.06kg/s，退潮時(shí)泄水速度為0.05kg/s。

    結(jié)果分析

    2.2.1靜態(tài)工況（未受潮汐影響時(shí)）

    埋管土壤溫度場(chǎng)隨時(shí)間的變化如圖2所示（數(shù)據(jù)較多，故擬合成圖），橫坐標(biāo)為測(cè)試時(shí)間，周期為24h，縱坐標(biāo)為溫度/℃。

    由圖2可知，換熱器周?chē)寥罍囟葓?chǎng)分布不均勻，靠近埋管處的土壤溫度較高，距離埋管較遠(yuǎn)處的土壤溫度變化不大。加熱過(guò)程中隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，埋管周?chē)寥罍囟入S時(shí)間逐步升高，溫度曲線斜率大，熱量積聚快。冷卻過(guò)程中，埋管熱量逐漸釋放到周?chē)h(huán)境，溫度場(chǎng)降低，土壤溫度變化曲線斜率不大，散熱較緩慢。熱泵間歇運(yùn)行時(shí)，埋管周?chē)e聚的熱量得以釋放，周?chē)鷾囟葓?chǎng)得以恢復(fù)，有利于熱泵再次開(kāi)啟時(shí)的換熱。

    2.2.2動(dòng)態(tài)工況（潮汐影響時(shí)）

    按照潮汐規(guī)律往沙箱中注、排水模擬潮汐影響的工況，注水速度為0.06kg/s，退潮時(shí)泄水速度為0.05kg/s。此時(shí)土壤含水量受潮汐影響含水量改變。加熱15h后關(guān)閉電加熱器進(jìn)行無(wú)加熱情況下散熱，總周期為24h。試驗(yàn)所測(cè)得各熱電偶布點(diǎn)處的土壤溫度場(chǎng)變化如圖3所示。橫坐標(biāo)為測(cè)試時(shí)間，周期為24h，縱坐標(biāo)為溫度/℃。

    較之于圖3，加熱階段土壤溫度曲線變化緩和，升溫較小，水的滲流減少了熱量的積聚，換熱器與周?chē)寥罁Q熱能力增強(qiáng)。停止加熱后的自然放熱階段，土壤溫度曲線斜率較大，溫度急劇下降，散熱較快，達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間短，過(guò)余溫度低。

    開(kāi)啟電加熱器24h持續(xù)加熱，試驗(yàn)所測(cè)得各熱電偶布點(diǎn)處的土壤溫度場(chǎng)變化如圖5所示。橫坐標(biāo)為測(cè)試時(shí)間，周期為24h，縱坐標(biāo)為溫度/℃。

    對(duì)比圖2的加熱階段，土壤溫度雖然總體也呈增加的趨勢(shì)，但并不是線性的增長(zhǎng)，而是隨著潮汐的漲落，有一定的波動(dòng)，總體增長(zhǎng)較緩，增幅較小。多次試驗(yàn)得出潮汐對(duì)埋管周?chē)寥谰哂兄芷谟绊?。?duì)于每一個(gè)潮汐周期，漲潮時(shí)，隨著土壤含水率的增加，土壤的換熱能力增強(qiáng)；落潮時(shí)，隨著土壤含水率的降低，土壤的換熱能力降低。對(duì)比間歇運(yùn)行的圖3，埋管周?chē)鷾囟葓?chǎng)積聚的熱量未得到釋放，溫度較高，不利于換熱，影響換熱器的性能。

    3·結(jié)論

    （1）埋管換熱器受到潮汐影響較顯著，潮汐影響下?lián)Q熱器周?chē)寥罍囟容^低，熱量積聚較少，潮汐影響可以減弱由于地?zé)釗Q熱器吸熱、放熱不平衡而引起的熱量累積效應(yīng)；

    （2）間歇運(yùn)行工況對(duì)地溫的恢復(fù)有利，熱泵運(yùn)行時(shí)，埋管與周?chē)寥肋M(jìn)行熱量交換，埋管向土壤釋放熱量，土壤溫度升高，隨著與盤(pán)管距離的增加，土壤溫度上升的幅度逐漸衰減直至消失;熱泵停止運(yùn)行時(shí)，埋管附近積聚的熱量向遠(yuǎn)處溫度較低的土壤傳遞，使埋管附近的土壤溫度下降，為下次的開(kāi)機(jī)運(yùn)行提供了有利的換熱條件；

    （3）本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量分析埋管換熱器周?chē)鷾囟葓?chǎng)，對(duì)潮汐的影響做出一些定性分析。由于使用電加熱絲代替螺旋盤(pán)管，熱阻較小，同時(shí)熱電偶測(cè)試結(jié)果亦有誤差，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果有一定誤差。

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