U型辐射管的表面温度分布的数值模拟研究
U型埋管地热换热器的传热模型及换热性能的提高
U型埋管地热换热器地传热模型及换热性能地提高摘要高效利用可再生清洁地地热能、提高人居环境地舒适度并实现节能环保是本课题研究地主要目地 . 传统地空调系统受环境温度影响大、能效较低。
水源热泵空调系统存在回灌难、污染地下水等问题。
土壤源热泵空调系统在供暖、制冷、供热水等方面具有运行稳定、效果良好等优点 , 在国外己广泛应用 . 但国内地研究与应用起步较晚 , 解决地埋管换热器与土壤间地强化传热、系统初投资较高等问题是推动其发展地关键 . b5E2RGbCAP本文以竖直U型埋管换热器为研究对象，采用数值模拟方法对影响地埋管换热效率地各种因素进行研究 , 结果表明 , 井深、流体速度、回填材料导热系数及支管中心距对换热地影响较为明显，当井深小于150m时，增加井深使换热器地总换热量增大，但当井深大于250m时，由于支管间热短路现象加剧，随着井深地增加总换热量趋于平缓，且钻井费用提高，因此最佳井深范围可取 150m-250m提高 u 型管内流体地流速 , 使总换热量与 u 型埋管换热器效率增加 , 当流速超过 0.8m/s 时两者地增加速率都已很低 , 而同时 u 型管进出口压降却迅速增大 , 因此, 推荐 u 型管内经济流速范围为 0.4m/s-0.8m/s. p1EanqFDPw关键词地源热泵；换热器；传热模型；换热器效率引言随着传统不可再生能源地不断消耗 , 能源紧缺地问题日益严重 , 具有节能特点地地源热泵（ground source heat pump> 系统越来越受到人们地关注 . 地源热泵系统是一种利用地下浅层地温地热资源 <常温土壤或地下水）地既可供热又可制冷地高效节能热泵系统 . 它卞要包括三个部分 :从土壤、地下水或地表水吸热 / 放热地装置；热泵机组；送风系统 . DXDiTa9E3d 根据地源热泵祸合换热系统地换热方式 , 可以把地源热泵系统分为闭式循环系统和开式循环系统 . 本文研究地是闭式循环垂直式热泵系统 . 设置地热换热器是闭环地源热泵（或称地下偶合热泵）空调系统地最大特点 . 这种地热换热器中地传热是管内流体与周围岩土之间地换热 , 与两种流体之间换热地常规换热器有很大地不同 . 通常地热换热器有水平和竖直两种布置方式 . 竖直布置地地热换热器通常都是在钻孔内布置 U 型地塑料管 ,再加上回填材料 , 与周围岩土构成一个整体 . 由于竖直埋管地热换热器具有占地少、工作性能稳定等优点 ,己成为工程应用中地主导形式 . 对其传热模型地研究也就成为开发地源热泵空调系统首要地课题 . 地源热泵空调系统地主要缺点是其地热换热器地初投资较高 ,这也是阻碍地源热泵空调系统发展地主要原因之一 . 因此对地热换热器地结构进行优化设计,并提供可靠地设计计算模型是降低地热换热器造价地重要途径, 也是推广地源热泵地关键技术之一 [1]. RTCrpUDGiT对地源热泵U型管地下换热器地研究，在工程上国内外主要使用线热源模型和柱热源模型[2-3],虽然模型考虑了 U型管地具体形状以及其他影响因素，但由于使用地都是一维模型 , 只研究某水平平面 , 不能全面反映整个换热区域地换热情况[4-5]. 刁乃仁等通过解读地方法得出了一维和准二维地模型 [6].. 但其一维和二维模型主要是建立在回填土区域 , 由于 U 型管地下换热器传热地不均匀性 , 回填土最外层地壁温显然不是均匀地 . 而且在非稳态过程中 , 回填土最外层壁温很难确定.为了研究整个换热区域地情况,本文使用CFD数值仿真软件对地下 U 型管换热器进行了模拟，进而研究了 U型管换热器主要参数对U型管换热器换热效率地影响 .5PCzVD7HxA1.数学模型1. 1 假设条件由于 U 型竖直埋管地下换热器地几何形状和土壤传热地复杂性 , 为了减少网格数量和降低计算地难度 , 所以要进行必要地简化 . 同时, 为了保持所得结果地精度符合工程要求 , 作如下假设 : jLBHrnAILg<1 ）土壤是均匀地 , 而目在整个传热过程中土壤地热物性不变 . 由于地下换热器引起地土壤温度变化比较小 , 因此可以这样假设 . xHAQX74J0X<2 ）忽略土壤中水分迁移地影响 .（ 3> 忽略 U 型管管壁与回填材料、回填材料与土壤之间地接触热阻 .(4> 忽略地表温度波动以及埋管深度对土壤温度地影响，认为土壤温度均匀一致，初始阶段为当地地年平均气温.LDAYtRyKfE(5> 认为U型管底部弯管是绝热地，而流体地速度分布和方向改变.(6>钻孔间距足够大，忽略孔与孔之间地传热影响.1.2 一维导热模型工程上对单U型埋管与地层地传热问题，通常分为两部分来处理.一是钻孔内部地传热，二是由钻孔壁面至外部地层之间地换热.与钻孔壁以外部分地传热过程相比，由于钻孔内部(包括回灌材料、管壁及传热介质>地几何尺寸和热容量都相对要小得多，而且其温度变化都较为缓慢，因此可将钻孔内部地传热过程当作稳态地传热过程来处理.除了对于讨论地时间尺度小于数小时地动态问题外，这样地简化已被证明是合理地和方便地.另一方面，由于钻孔地深度远大于其直径，因此，岩土和钻孔地回灌材料中地轴向导热，与横截面内地导热相比可以忽略不计.由于U型管地结构特点，钻孔横截面上地导热明显是二维地，求解较为困难. 因此，工程上采用地最简单地模型是把钻孔中U型管地两个支管简化为一个当量地单管[8],由此回避了 U型埋管两支管与钻孔因不同轴而带来地复杂问题，并进而把钻孔内部地导热简化为一维导热.显然,这样地模型缺乏理论依据，过于粗糙, 当然无法讨论U型管两支管地位置及其相互间地传热对整个换热过程地影响.简化地一维模型不能反映管间距和孔外地层地导热系数对孔内热阻地影响.Zzz6ZB2Ltk1.3二维导热模型在忽略轴向导热地条件下，如果U型管地两根支管单位长度地热流分别为q1 和q2,根据线性迭加原理，所讨论地稳态温度场应该是这两个热流作用产生地过余温度场地叠加.这就是钻孔横截面上地二维稳态导热模型[7]. dvzfvkwMI1二维模型地引入，对于钻孔横截面上地导热热阻，包括支管与孔壁间地热阻和两支管间地热阻，给出了定量地解读式，进而可以分析讨论U型管在钻孔中地几何配置对导热地影响.因此，二维模型明显优于一维模型.但是在此二维模型中也没有考虑两支管内流体温度沿深度方向地变化.rqyn14ZNXI1.4准三维导热模型一、二维模型都因为没考虑流体温度沿程地变化，因此不能确定各个横截面上地传热量；而且忽略了U型管由于两支管中流体温度地不同而引起地热流“短路”现象.因此,在二维模型地基础上，流体温度在深度方向地变化必须予以考虑.考虑管内流体温度沿着深度方向上地变化，为保持模型地简明，钻孔内固体部分地轴向导热仍忽略不计.这可称为准三维模型[8]. EmxvxOtOco2.各种因素对换热性能地影响2. 1管腿中心距和竖井直径地影响将U形管地管腿中心距分别设为100mm, 80mm, 60mm其他条件与上述模型一样，计算所得每 M深井地平均热流量为 28.82w/m, 27.43w/m,25.13w/m.由此可见，中心距越小时，热流量越小，这是因为，管腿中心距越小，管腿之间相互影响越大.在热阻一定地情况下，埋管周围温度越高，热流量越大，两管腿之间影响越小，相反，埋管周围温度越低，热流量就越小，两管腿之间影响就越大.U型管周围部分,温度依次降低，也正说明了热流量随管腿中心距地减小而减少.而且管腿中心距由84mm 到60mm热流量下降地程度是1 OOmrSJ 80mnd地 1.65倍，这也正说明：管腿中心距越小，热流量减少地程度越大，反过来说，中心距越大，热流量增大地程度越小.SixE2yXPq5流动压力损失分别为 29.98kpa. 3d.35kpa. 30.78kpa, 由此可见，中心距小时,水流经过 U形弯管时，局部压力损失较大，所以总体压力损失稍大.但是6ewMyirQFL管腿中心距为60mm时,压力损失仅比管腿中心距为100mm时大2.7%,因此管腿中心距对压力损失影响很小，可以忽略不计.kavU42VRUs因此，在竖并允许地范围内，为了保证较大地热流量和较小地压力损失，尽量保持较大地管腿中心距，但是由于管腿中心距越大，增加地热流量就越少，因此,没有必要为保持较大管腿中心距，而增加竖井直径，这样会得不偿失.将竖井地直径分别设为200mm. 250mm. 300mn其他条件与上述模型相似,得到地单位深井热流量分别为 28.82w/m. 29.7w/m, 30.35w/m, 这是因为回填物地热阻小于周围土壤 ,竖井直径加大相当于传热热阻减小 , 所以热流量较大 . 但是由计算结果可知,直径为300mn竖井地热流量仅比200mm竖井地热流量大 5%,可见竖井直径对热流量地影响并不很大 .综上所述 , 工程上应使用适宜打井地经济合理地竖直直径 , 而不要为增大有限地热流量而使用大地竖直直径 , 因为这样做会增大工程造价 , 而其优化传热效果并不明显 .2. 2 回填材料热导率对换热效率地影响当考虑地源热泵地性能时 , 回填材料是非常重要地 , 材料要有一个较大地导热率以增加土壤地传热量 , 但这个导热率如果太大地话 , 系统反而可能产生热短路现象（热短路现象是指 :U 型管两管脚之间存在温差 , 温差最大处位于 U 型管进出口处,越往下,温差呈递减趋势，由于U型管进出口处温差大，加之两管间距离较小, 在这里可能发生较强地热量传递 , 从而使出水温度在进口段较短距离内下降（上升＞很大, 以致影响传热 . y6v3ALoS892. 3 钻孔深度对换热效率地影响除进水管进水水温取 40C、支管间距取为150mm钻孔深度改变以外,主要参数同表2.通过CFD莫拟计算,结果见图1和图2.从图1和图2可以看出,在钻孔深度增加时，出水口出水平均温度几乎是线性下降，但当钻孔深度超过80m后, 两支管地温升比急剧增加,从80m地 2急剧增加到100m地3,支管间地漏热加剧从而降低了单位管长地换热效率 . 因此, 建议钻孔深度不要太深 , 对要求较低出水温度地工况可以使用两个 U型管并联工作来减少支管间地温升比，提高单位管长地换热效率 .M2ub6vSTnP30^0 SO1090 10钻孔深度/m图1出水温度随钻孔深度地变化曲线Fig.5 Change of the outlet water temperature with holedepth OYujCfmUCwand outlet temperatures2.4不同流速对热效率地影响 根据工程经验，管内流速一般都小于1.2m/s,拟选取1.2m/s,0.9m/s,0.6m/s,0.5m/s,0.4m/s,0.3m/s,0.2m/s,0.15m/s. 流速为 1.2m/s 时,管内流动雷诺数为20000,0.12m/s 时，雷诺数为2000,这样地选取覆盖了从过 渡流到旺盛紊流地不同流态，其单位井深平均热流量变化情况如图7. sQsAEJkW5T由图3可知,在进口水温一定时，传热量随流速增大而增加，但是变化趋势逐 渐变缓•流速在0.12-0.4m/s 地阶段，换热量随流速地增加幅度较大 ，而0.4- 31 iH图2两支管地温升比随钻孔深度地变化曲线Fig.6 Change of the specific value between inlet with hole depth euts8ZQVRd0.6m/s地阶段,换热量随流速地增长幅度较小，约为原来地一半甚至更小，流速在0.6m/s以上时，换热量随流速地增加改变地幅度已经很小，也就是说，每增加单位流速得到地热流量增量随着流速地增加在减小.GMsIasNXkA图3不同流速下热流量地变化趋势3.结论（1>地源热泵U型管地下换热器地换热效率随支管间距地增大而增加，但当支管间距增加到一定值后支管问距地增加对 U型管地下换热器换热效率地影响变弱. 在使用地回填土材料热导率变大时，支管间距地变化对U型管地下换热器换热效率影响变大，因此建议在使用高热导率材料地同时应该适当加大U型管两支管地间距.TlrRGchYzg<2 ）地源热泵U型管地下换热器地换热效率随回填土材料热导率地增加而增大•为了提高U型管地下换热器效率，应该努力提高回填土层地热导率.7EqZcWLZNX （3）在钻孔深度增加时，出水口出水温度几乎成线性下降；但是当钻孔深度超过80m时,两支管地温升比急剧增加，从80m地2急剧增加100m地3,支管间地热损失加剧，从而降低了单位管长地换热效率•因此，在实际操作中建议钻孔深度不要太深，对要求较低出水温度地工况可以使用两个U型管并联工作来减小支管间地温升比,提高单位管长地换热效率.lzq7IGf02E数减小,如果流动状态由紊流流动变为层流流动 , 则对流换热系数变化就很显著并且由于地下换热埋管是闭环系统 , 水泵扬程只需克服沿程摩擦阻力和局部阻力不考虑提升高度 , 因此, 流速可以适当取高一些 , 以保证管内流体流动处于紊流状态,从而增加对流换热系数 .但是如果流速过高 , 压力损失会很大 , 增大了循环水泵地扬程 , 得不偿失 , 因此 , 我们应综合考虑热流量和压力地损失 . zvpgeqJ1hk4.研究方向及应用前景目前地源热泵系统地应用以每年10%左右地速度递增 , 未来对于该系统地研究将更集中于高效率和低投资方面 . 未来对于地源热泵系统地研究将主要集中在以下几个领域：4.1 地源热泵系统仿真模拟研究通过仿真模拟技术对地源热泵系统能耗、设计、控制等方面进行分析地手段已经成为对于研究地重要方式之一 , 而地下埋管换热器 <ground-loop heat exchanger ) 是地源热泵系统地重要组成部分 , 它地换热情况是研究地重点 , 因此对于地源热泵系统地仿真模拟 , 主要研究方向集中于地下埋管换热器模型地建立和优化 .4.2 地源热泵系统控制策略研究对地源热泵系统而言 , 如何能够更有效地进行长期稳定地制冷或供热是评判该系统优劣地标准 . 建筑物冷热负荷和地下埋管换热器向土壤地排吸热量不均、地下埋管换热器地换热量受地下水渗流影响等问题 , 同时空调系统中多种冷热源地综合利用已越来越普遍 , 因此对于地下埋管换热器系统控制策略研究显得尤为重要 .4.3 地下埋管换热器填料优化研究对于地下埋管换热器孔洞中填料地优化研究有利于提高地下埋管换热器和土壤之间地换热量 , 提高系统地效率 . 4.4 土壤导热率测试技术研究地下埋管换热器地传热过程较为复杂 , 涉及地因素较多 , 因此建立和完善地下传热模型 , 使其具有更好地适应性和计算精度 , 为地下埋管换热器地设计和土壤热物性地测定提供理论基础必将成为研究工作地重点 . 同时, 在系统地施工中 , 如何能够快速有效地通过测试和仿真 ,从而得到土壤物性参数 , 是目前实际工程中所关心主要技术问题之一 .4.5 多种影响因素地考虑和螺旋埋管等不常见换热器地研究现有地下埋管换热器模型以垂直地下埋管换热器地仿真模型居多 , 而对于水平埋管、倾斜埋管以及螺旋埋管地建模研究相对而言有所欠缺. 随着计算机仿真技术地不断发展 , 考虑到管群地影响、土壤冻融地影响、地下水渗流等相关因素地影响, 必然需要对地下埋管换器仿真模型加大研究地投入 . NrpoJac3v1 参考文献[1]曾和义,刁乃仁, 方肇洪.竖直埋管地热换热器钻孔内地传热分析 .太阳能学报 ,2004,25(3> ： 3991nowfTG4KI[2]Gu Yian, O ' Neal Dennis L. An analytical solution to transientheat conduction in a composite region with a cylindrical heat source.Trans ASME,1995,117:242 fjnFLDa5Zo[3]柳晓雷, 王德林,方肇洪. 垂直埋管地源热泵地圆柱面传热模型及简化计算山东建筑工程学院学报 ,2001, 16( 1>: 47 tfnNhnE6e5C,Spitler ,J D. A short time step response factor[4] Y avuzturkmodel HbmVN777sLfor vertical ground loop heat exchangers. ASHREAETrans , V7l4jRB8Hs1999, 105( 2>:475[5] Muraya N K ,O ' Neal D L,Heffingt on W M. Thermal interferenceof adjacent legs in a vertical U-tube heat exchanger for a groundcoupled heat pump. ASHREAE Trans,1996,102(2>：1283lcPA59W9[6]刁乃仁,曾和义,方肇洪.竖直U型管地热换热器地准三维传热模型. 热能动力工程 .2003, 18( 4> : 387[7]. Diao N R, Cui P and Fang Z H, The thermal resistance in a borehole ofgeothermal heat exchanger, Proceeding of 1th2International Heat TransferConference,France, 2002.mZkklkzaaP[8]曾和义，方肇洪.U形管地热换热器中介质轴向温度地数学模型山东建筑工程学院学报 ,2002,17(1>:7-11.AVktR43bpw。
U型真空管集热器温度场的模拟分析
U型真空管集热器温度场的模拟分析卫江红【摘要】建立和分析了U型真空管集热器的热效率的表达式,并在FLUENT中建立动态仿真模型,利用模型分析了U型管的入口流速和结构尺寸、太阳辐照度对真空管内温度场的影响.结果表明:减小人口流速和U型管内径、增加太阳辐射量和U 型管的长度都可以使真空管的出口平均温度增高.该分析结果可对U型玻璃真空管的优化设计、参数匹配等方面提供理论支撑.【期刊名称】《德州学院学报》【年(卷),期】2014(030)004【总页数】3页(P68-70)【关键词】U型真空管;热效率;出口温度;动态模拟【作者】卫江红【作者单位】德州学院机电工程学院,山东德州 253023【正文语种】中文【中图分类】TK5151 引言全玻璃真空管集热器结构简单、价格较低、制造方便、集热效率高，是我国太阳能热水器市场主流产品，但其承压能力较低，单管破裂会影响系统的整体运行．U型真空管集热器继承了全玻璃真空管热损失少的特点，同时，真空管内不走水，可以避免炸管泄漏的问题，并且能够承受较大压力．对于全玻璃真空管集热器，有关结构对性能影响以及优化的研究工作已经取得不少成果［1，2］，但 U型真空管集热器热性能的研究文献较少．本文将从理论上分析影响U型真空管集热器热性能的因素，并建立仿真模型进行模拟分析，从而对U型玻璃真空管的优化设计、参数匹配等方面提供理论支撑和技术支持．2 U型真空集热管结构及工作原理U型真空集热管大体由五部分组成，分别是：外玻璃管、内玻璃管（吸热管）、选择性吸收涂层、铝翼和U型铜管，其结构详见图1．外玻璃管和内玻璃管之间抽成真空，内玻璃管的外壁涂有选择性吸收涂层，内玻璃管与铝翼紧密接触［3］．其工作原理和换热过程：太阳辐射穿过外玻璃管，投射在有选择性吸收涂层的内玻璃管上，选择性吸收涂层将太阳辐射转换为热能，再通过内玻璃管、铝翼和U型铜管将热量传递给U型管内的流体工质，使流体不断升温．3 U型真空集热管热效率太阳能集热器的热性能用集热器的瞬时效率衡量，其物理意义是在规定时间内吸收的有用能量与入射在集热器表面上的太阳辐射能之比［3］．U型真空集热管热效率计算公式为式中：mf，cf，ρ，ν，Tf 分别是流体的质量流量（kg／s）、比热容（J／kg·K）、密度（kg／m3）、流速（m／s）、平均温度；As，Ac是真空管的采光面积和流体的横截面积（m2）；S 是太阳辐射量的瞬时值（W／m2）．图1 U型真空集热管截面示意图4 U型真空集热管数值模拟由热效率计算公式可知，U型真空管的热效率与管内工作介质的流速，太阳辐照度和真空管的内部结构有关．本文利用ANSYS FLUENT软件对单根U型真空管内部温度场进行数值模拟，分析各种影响因素对真空管换热的影响．利用Pro／E软件建立U型真空管的结构模型，如图2所示．外玻璃管和内玻璃管的外径分别为58 mm和47mm，厚度均为2mm；铝翼外径为47 mm，厚度为0．3mm；U型铜管的厚度为0．5mm．在ANSYS Meshing中对内、外玻璃管、铝翼、U型铜管及内部流体进行三维网格划分［4］，如图3所示．在FLUENT中将模拟条件设置为分离变量隐式求解，以保证收敛的稳定性；在Models中采用标准k－ε湍流模型，由于内、外玻璃管之间保持高度真空，因此将其内部设置成DO辐射模型［5－7］；压力和速度解耦采用SIMPLE算法；环境温度设为293K；各种材料的物质属性见表1．图2 U型真空管结构模型图3 U型真空管网格模型表1 材料的物性表材质密度比热容导热系数粘性系数玻璃 2550 779 0．74铝2770 871 202铜8900 387 398水998．2 4187 0．6 0．001003 4．1 入口流速的影响所建模型的入口边界条件为速度入口．保持太阳辐照度600W／m2、玻璃管长度1．2m、U型铜管内径10mm不变，改变入口流速，使其分别在0．02 m／s、0．05m／s两种条件下计算．当入口流速改变时真空管内部温度场的变化如图4所示，其出口平均温度分别为298．4K和295．3K．由此可知，沿流动方向管内的流体温度逐渐上升，温度在出口处达到最大值．随着流速的增加，真空管出口温度逐渐降低．主要是因为随着流速的增加，缩短了管内流体到达紊流状态的时间，管内流量增加，导致流体出口温度降低．V＝0．02m／s V＝0．05m／s图4 不同入口流速时的温度场4．2 太阳辐照度的影响保持玻璃管长度1．2m、U型铜管内径10mm、入口流速0．02 m／s不变，使太阳辐照度分别为800W／m2、1100W／m2．计算结果如图5所示，其出口平均温度分别为300．2K和302．8K．由此可知，随着太阳辐照度的增大，真空管出口处平均温度升高．这主要因为当入射到玻璃管上的辐射能越大，吸收的辐射能就越多，流体的温度就越高．S＝800W／m2 S＝1100W／m2图5 不同太阳辐照度时的温度场4．3 U型管内径的影响保持入口流速0．02m／s、太阳辐照度600W／m2、U型管管长1．5m不变，使U型管内径分别为8mm和12mm．计算结果如图6所示，其出口平均温度分别为301．4K和298．6K．由此可知，U 型铜管的内径越大，流体的出口平均温度越低．主要是因为在内径增加会引起流量的增大，U型管的进出口温差降低，出口处的平均温度随之下降．d＝8mm d＝12mm图6 不同U型管内径时的温度场4．4 U型管管长的影响保持U型铜管内径10mm、入口流速0．02m／s、太阳辐照度600W／m2不变，使U型管管长分别为1．5m和1．8m．计算结果如图7所示，其出口平均温度分别为299．7K和301．1K．由此可知，随着真空管长度的增加，流体的出口平均温度也增加．L＝1．5m L＝1．8m图7 不同U型管长度时的温度场5 结论通过对U型真空集热管内温度场的模拟，可得出以下结论．1）U型管内流体的入口流速、太阳辐照度、U型管的长度和内径均对出口处的平均温度和热效率有影响．适当减小流体的入口速度和U型管内径、增加太阳辐照度和U型管的长度，可以提高出口处的平均温度；适当增加U型管内流体的入口流速、太阳辐照度和U型管的内径，可以提高真空管的热效率．2）在相同的太阳辐射量的条件下，单根真空管的长度越长，流体的出口平均温度增加．当所需要的热量相同时，真空管的根数就越少．但是，真空管过长易使流动出现死角，影响换热．所以，在不影响安装和增加成本的情况下，可适当增加真空管的长度．3）U型管的内径越大，流体的出口平均温度越低．随着U型管内管内流体温度的降低，管内流体与环境温差减小，热损失变小，热效率相应提高．但是U型铜管的内径增大的同时，热容量也会增大，可能导致真空管的启动速度较慢．所以，选择U型管内径时，需要整体衡量真空管的经济性和光热转化性能．参考文献：［1］田琦．水在玻璃管真空管太阳集热器性能计算与分析［J］．能源技术，2007，28（3）：51－54．［2］钟建立，等．全玻璃太阳能真空集热管流场和温度场的可视化研究［J］．浙江大学学报，2005，31（3）：352－353．［3］罗运俊，何梓年，王长贵．太阳能热利用技术［M］．北京：化学工业出版社，2011：44－46，64－67．［4］凌桂龙，丁金滨，温正．ANSYS Workbench13．0从入门到精通［M］．北京：清华大学出版社，2012：58－70．［5］安玉娇，高岩，李德英．U型管集热器流场和热特性的数值模拟［J］．能源技术，2010，31（3）：169－174．［6］温正，石良辰，任毅如．Fluent流体计算应用教程［M］．北京：清华大学出版社，2009：50－62．［7］安玉娇．U型玻璃真空管太阳能集热器热性能研究与优化设计［D］．北京：北京建筑工程学院，2010．。
地源热泵U型埋管非稳态传热数值模拟
２ ．Ｂ ｅ ｉ ｄ ａ ｉ ｈ ｅ Ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇ Ｃ ｅ ｎ ｔ ｅ ｒ ｏ ｆ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｐ ｅ ｔ ｒ ｏ ｌ ｅ ｕ ｍ Ｐ ｉ ｐ ｅ ｌ ｉ ｎ ｅ Ｂ ｕ ｒ ｅ ａ ｕ ， Ｈ ｅ ｂ ｅ ｉ Ｑ ｉ ｎ ｈ ｕ ａ ｎ ｇ ｄ ａ ｏ ０ ６ ６ １ ０ ０ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
【 关键词 】 地源热泵 ； Ｕ型管 ； 数值模拟 ； 换 热性能 【 中图分类号 】 Ｔ Ｕ ８ ３ ２ ． ０ ２ 【 文献标 识码 ｌ Ｂ
【 文章编号 ｌ １ ０ ０ １ — ６ ８ ６ ４ 【 ２ ０ １ ５ ） ０ ９— ０ １ ３ ９ — ０ ３
ＮＵＭ ＥＲＩ ＣＡＬ Ｓ Ⅱ ＵＬＡＴＩ ｏＮ ｏＮ ＵＮＳ ＴＥＡＤＹ ＨＥＡＴ ＴＲＡＮＳ Ｆ ＥＲ ｏＦ Ｕ－ ＴＵＢＥ ＧＲｏＵＮ Ｄ Ｓ ｏＵＲＣＥ ＨＥＡＴ Ｐ ＵＭ Ｐ
Ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｗｉ ｌ ｌ ｐ ｏｖ ｒ ｉ ｄ ｅ ｂ ｅ ｎ ｅ ｉ ｆ ｃ ｉ ｌ ａ ｒ ｅ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ ｆ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅ ｏ ｐ ｔ ｉ ｍｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｎ ｄ ｏ ｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｇ ｒ ｏ ｕ ｎ ｄ
贾永 英等 ： 地 源热泵 ｕ型埋管非稳 态传 热数值模 拟
Байду номын сангаас
１ ３ ９
ＤＯＩ ： １ ０ ． １ ３ ９ ０ ５ ／ ｊ ． ｃ ｎ ｋ ｉ ． ａ ｗ ｊ ｚ ． ２ ０ １ ５ ． ０ ９ ． ０ ５ ２
地 源 热 泵 Ｕ型 埋 管 非 稳 态传 热 数值 模 拟
贾 永英 ， 周 正 ， 支 艳 ， 王 志 国
地源热泵中U型埋管传热过程的数值模拟
!" $%外的传热
钻孔 壁 温 随 运 行时 间 的 变 化是工程 及 地 源 热 泵系统模拟计算中所关心的具有代表性的温度， 因 此钻孔以外传热 分 析 的 主 要目的是 根 据 瞬 时传热 . 由 于 钻孔 以 外 的传热 空 量来确定钻孔壁温 T（ b t） 间区域及其相应介质的热容量较大， 而且涉及的时 间也很长， 故在系统模拟中必须按非稳态来处理才 能获得准确解. 目前有很多的模型可用于求解钻孔 以外部分的瞬态传热 问题， 最 为 经典、 常用的 分 析 解模型要数线热源模型与圆柱源模型. 两者的主要 区别在于 FO 较小 时， 线 热 源 的解有一 定 的时 间延 （ 对于典型 的 埋 管 特性 参 数 约 为 7 而当 FO > 10 迟， h） 后两者 的解 吻 合得较 好， 其 原 因 主 要是 线源模 型假定的热流 是 施 加 在 半 径 r = 0 处， 而 圆柱 源模 型是在 r = r b 处. 从物理意义上讲， 在 r = rb 处施加
2006 -05 -08 . 收稿日期： （ 50276013 ） . 基金项目：国家自然科学基金资助项目 （ 1975 —） ， （ 联系人 ） ， 男， 施明恒 男， 教 作者简介：杨卫波 博士生； 博士生导师，mhshi@ seu. edu. cn. 授，
并已得到了实际应用. 在地 源 热 泵 系统的 设 计中， 建立较为准确的 埋 管 传热 模型 并进行可 靠 的系统 模拟计算是合理设计地下埋管的前提与基础. 垂直 U 型埋管因较其他埋管方式具有节地、 效率高及 性 能稳定等优点而成为当 前 地 源 热 泵 地 下 埋 管 的 主 流形式. 垂直 U 型埋管换热器 通常采用一个 钻孔 中 布
寒区地下U型埋管换热器及周围土壤非稳态传热数值模拟
寒区地下U型埋管换热器及周围土壤非稳态传热数值模拟陈忠华;杜明俊;马贵阳;戚积功【摘要】针对东北地区冬季气候特点,建立埋地U型管换热器及周围土壤三维非稳态传热模型,采用有限容积法对方程进行离散,对换热器周围土壤温度场进行数值模拟,分析了不同回填材料的导热性能及对土壤温度场的影响,得到了不同时刻U型管换热器传热特性与土壤温度的变化规律,结果表明:回填材料的导热系数相对越大,换热效果越显著,且采用不同导热系数的材料回填管井,达到稳态之前,不同深度的热作用半径具有不稳定性,模拟符合实际.可为工程设计提供一定的理论依据.【期刊名称】《当代化工》【年(卷),期】2010(039)004【总页数】4页(P442-444,448)【关键词】U型管换热器;有限容积法;三维非稳态传热;数值模拟【作者】陈忠华;杜明俊;马贵阳;戚积功【作者单位】辽宁石油化工大学石油天然气工程学院,辽宁抚顺113001;辽宁石油化工大学石油天然气工程学院,辽宁抚顺113001;辽宁石油化工大学石油天然气工程学院,辽宁抚顺113001;辽宁石油化工大学石油天然气工程学院,辽宁抚顺113001【正文语种】中文【中图分类】TO019地源热泵利用地下一年四季温度恒定的特性及土壤巨大的蓄热蓄冷能力，进行供热制冷，是热泵的一种。
在节能环保要求日益提高的今天，地源热泵正以其不可替代的优势，越来越受到人们的关注。
然而地埋管热泵的广泛推广需要开展对埋管换热器存在的一些应用和理论问题进行研究，其中包括选择合适的回填材料及热泵系统对周围土壤温度场作用的变化规律等问题[1]。
因此研究不同导热系数的回填材料对土壤温度场的影响具有实际意义。
地下埋管换热器与其周围回填材料和土壤的传热过程是一个非常复杂的非稳态换热过程，一方面，换热器的埋管方式，土壤物性参数，地下水文参数，回填材料及地表气象参数等都影响着换热器的传热过程，另一方面，换热器的传热过程又与热泵机组的运行特性相互影响[2]，因此以往对埋管换热器与周围土壤传热模型的建立均是在一定假设基础上进行的[3]，数值模拟是一种新兴的仿真计算方法，因其具备对复杂流动传热及边界条件进行分析求解的能力，因而成为近年来用于研究复杂问题的有效方法，得到广泛的应用[4-7]。
U型埋管地热换热器的传热模型及换热性能的提高
U型埋管地热换热器地传热模型及换热性能地提高摘要高效利用可再生清洁地地热能、提高人居环境地舒适度并实现节能环保是本课题研究地主要目地 . 传统地空调系统受环境温度影响大、能效较低。
水源热泵空调系统存在回灌难、污染地下水等问题。
土壤源热泵空调系统在供暖、制冷、供热水等方面具有运行稳定、效果良好等优点 , 在国外己广泛应用 . 但国内地研究与应用起步较晚 , 解决地埋管换热器与土壤间地强化传热、系统初投资较高等问题是推动其发展地关键 . b5E2RGbCAP本文以竖直U型埋管换热器为研究对象，采用数值模拟方法对影响地埋管换热效率地各种因素进行研究 , 结果表明 , 井深、流体速度、回填材料导热系数及支管中心距对换热地影响较为明显，当井深小于150m时，增加井深使换热器地总换热量增大，但当井深大于250m时，由于支管间热短路现象加剧，随着井深地增加总换热量趋于平缓，且钻井费用提高，因此最佳井深范围可取 150m-250m提高 u 型管内流体地流速 , 使总换热量与 u 型埋管换热器效率增加 , 当流速超过 0.8m/s 时两者地增加速率都已很低 , 而同时 u 型管进出口压降却迅速增大 , 因此, 推荐 u 型管内经济流速范围为 0.4m/s-0.8m/s. p1EanqFDPw关键词地源热泵；换热器；传热模型；换热器效率引言随着传统不可再生能源地不断消耗 , 能源紧缺地问题日益严重 , 具有节能特点地地源热泵（ground source heat pump> 系统越来越受到人们地关注 . 地源热泵系统是一种利用地下浅层地温地热资源 <常温土壤或地下水）地既可供热又可制冷地高效节能热泵系统 . 它卞要包括三个部分 :从土壤、地下水或地表水吸热 / 放热地装置；热泵机组；送风系统 . DXDiTa9E3d 根据地源热泵祸合换热系统地换热方式 , 可以把地源热泵系统分为闭式循环系统和开式循环系统 . 本文研究地是闭式循环垂直式热泵系统 . 设置地热换热器是闭环地源热泵（或称地下偶合热泵）空调系统地最大特点 . 这种地热换热器中地传热是管内流体与周围岩土之间地换热 , 与两种流体之间换热地常规换热器有很大地不同 . 通常地热换热器有水平和竖直两种布置方式 . 竖直布置地地热换热器通常都是在钻孔内布置 U 型地塑料管 ,再加上回填材料 , 与周围岩土构成一个整体 . 由于竖直埋管地热换热器具有占地少、工作性能稳定等优点 ,己成为工程应用中地主导形式 . 对其传热模型地研究也就成为开发地源热泵空调系统首要地课题 . 地源热泵空调系统地主要缺点是其地热换热器地初投资较高 ,这也是阻碍地源热泵空调系统发展地主要原因之一 . 因此对地热换热器地结构进行优化设计,并提供可靠地设计计算模型是降低地热换热器造价地重要途径, 也是推广地源热泵地关键技术之一 [1]. RTCrpUDGiT对地源热泵U型管地下换热器地研究，在工程上国内外主要使用线热源模型和柱热源模型[2-3],虽然模型考虑了 U型管地具体形状以及其他影响因素，但由于使用地都是一维模型 , 只研究某水平平面 , 不能全面反映整个换热区域地换热情况[4-5]. 刁乃仁等通过解读地方法得出了一维和准二维地模型 [6].. 但其一维和二维模型主要是建立在回填土区域 , 由于 U 型管地下换热器传热地不均匀性 , 回填土最外层地壁温显然不是均匀地 . 而且在非稳态过程中 , 回填土最外层壁温很难确定.为了研究整个换热区域地情况,本文使用CFD数值仿真软件对地下 U 型管换热器进行了模拟，进而研究了 U型管换热器主要参数对U型管换热器换热效率地影响 .5PCzVD7HxA1.数学模型1. 1 假设条件由于 U 型竖直埋管地下换热器地几何形状和土壤传热地复杂性 , 为了减少网格数量和降低计算地难度 , 所以要进行必要地简化 . 同时, 为了保持所得结果地精度符合工程要求 , 作如下假设 : jLBHrnAILg<1 ）土壤是均匀地 , 而目在整个传热过程中土壤地热物性不变 . 由于地下换热器引起地土壤温度变化比较小 , 因此可以这样假设 . xHAQX74J0X<2 ）忽略土壤中水分迁移地影响 .（ 3> 忽略 U 型管管壁与回填材料、回填材料与土壤之间地接触热阻 .(4> 忽略地表温度波动以及埋管深度对土壤温度地影响，认为土壤温度均匀一致，初始阶段为当地地年平均气温.LDAYtRyKfE(5> 认为U型管底部弯管是绝热地，而流体地速度分布和方向改变.(6>钻孔间距足够大，忽略孔与孔之间地传热影响.1.2 一维导热模型工程上对单U型埋管与地层地传热问题，通常分为两部分来处理.一是钻孔内部地传热，二是由钻孔壁面至外部地层之间地换热.与钻孔壁以外部分地传热过程相比，由于钻孔内部(包括回灌材料、管壁及传热介质>地几何尺寸和热容量都相对要小得多，而且其温度变化都较为缓慢，因此可将钻孔内部地传热过程当作稳态地传热过程来处理.除了对于讨论地时间尺度小于数小时地动态问题外，这样地简化已被证明是合理地和方便地.另一方面，由于钻孔地深度远大于其直径，因此，岩土和钻孔地回灌材料中地轴向导热，与横截面内地导热相比可以忽略不计.由于U型管地结构特点，钻孔横截面上地导热明显是二维地，求解较为困难. 因此，工程上采用地最简单地模型是把钻孔中U型管地两个支管简化为一个当量地单管[8],由此回避了 U型埋管两支管与钻孔因不同轴而带来地复杂问题，并进而把钻孔内部地导热简化为一维导热.显然,这样地模型缺乏理论依据，过于粗糙, 当然无法讨论U型管两支管地位置及其相互间地传热对整个换热过程地影响.简化地一维模型不能反映管间距和孔外地层地导热系数对孔内热阻地影响.Zzz6ZB2Ltk1.3二维导热模型在忽略轴向导热地条件下，如果U型管地两根支管单位长度地热流分别为q1 和q2,根据线性迭加原理，所讨论地稳态温度场应该是这两个热流作用产生地过余温度场地叠加.这就是钻孔横截面上地二维稳态导热模型[7]. dvzfvkwMI1二维模型地引入，对于钻孔横截面上地导热热阻，包括支管与孔壁间地热阻和两支管间地热阻，给出了定量地解读式，进而可以分析讨论U型管在钻孔中地几何配置对导热地影响.因此，二维模型明显优于一维模型.但是在此二维模型中也没有考虑两支管内流体温度沿深度方向地变化.rqyn14ZNXI1.4准三维导热模型一、二维模型都因为没考虑流体温度沿程地变化，因此不能确定各个横截面上地传热量；而且忽略了U型管由于两支管中流体温度地不同而引起地热流“短路”现象.因此,在二维模型地基础上，流体温度在深度方向地变化必须予以考虑.考虑管内流体温度沿着深度方向上地变化，为保持模型地简明，钻孔内固体部分地轴向导热仍忽略不计.这可称为准三维模型[8]. EmxvxOtOco2.各种因素对换热性能地影响2. 1管腿中心距和竖井直径地影响将U形管地管腿中心距分别设为100mm, 80mm, 60mm其他条件与上述模型一样，计算所得每 M深井地平均热流量为 28.82w/m, 27.43w/m,25.13w/m.由此可见，中心距越小时，热流量越小，这是因为，管腿中心距越小，管腿之间相互影响越大.在热阻一定地情况下，埋管周围温度越高，热流量越大，两管腿之间影响越小，相反，埋管周围温度越低，热流量就越小，两管腿之间影响就越大.U型管周围部分,温度依次降低，也正说明了热流量随管腿中心距地减小而减少.而且管腿中心距由84mm 到60mm热流量下降地程度是1 OOmrSJ 80mnd地 1.65倍，这也正说明：管腿中心距越小，热流量减少地程度越大，反过来说，中心距越大，热流量增大地程度越小.SixE2yXPq5流动压力损失分别为 29.98kpa. 3d.35kpa. 30.78kpa, 由此可见，中心距小时,水流经过 U形弯管时，局部压力损失较大，所以总体压力损失稍大.但是6ewMyirQFL管腿中心距为60mm时,压力损失仅比管腿中心距为100mm时大2.7%,因此管腿中心距对压力损失影响很小，可以忽略不计.kavU42VRUs因此，在竖并允许地范围内，为了保证较大地热流量和较小地压力损失，尽量保持较大地管腿中心距，但是由于管腿中心距越大，增加地热流量就越少，因此,没有必要为保持较大管腿中心距，而增加竖井直径，这样会得不偿失.将竖井地直径分别设为200mm. 250mm. 300mn其他条件与上述模型相似,得到地单位深井热流量分别为 28.82w/m. 29.7w/m, 30.35w/m, 这是因为回填物地热阻小于周围土壤 ,竖井直径加大相当于传热热阻减小 , 所以热流量较大 . 但是由计算结果可知,直径为300mn竖井地热流量仅比200mm竖井地热流量大 5%,可见竖井直径对热流量地影响并不很大 .综上所述 , 工程上应使用适宜打井地经济合理地竖直直径 , 而不要为增大有限地热流量而使用大地竖直直径 , 因为这样做会增大工程造价 , 而其优化传热效果并不明显 .2. 2 回填材料热导率对换热效率地影响当考虑地源热泵地性能时 , 回填材料是非常重要地 , 材料要有一个较大地导热率以增加土壤地传热量 , 但这个导热率如果太大地话 , 系统反而可能产生热短路现象（热短路现象是指 :U 型管两管脚之间存在温差 , 温差最大处位于 U 型管进出口处,越往下,温差呈递减趋势，由于U型管进出口处温差大，加之两管间距离较小, 在这里可能发生较强地热量传递 , 从而使出水温度在进口段较短距离内下降（上升＞很大, 以致影响传热 . y6v3ALoS892. 3 钻孔深度对换热效率地影响除进水管进水水温取 40C、支管间距取为150mm钻孔深度改变以外,主要参数同表2.通过CFD莫拟计算,结果见图1和图2.从图1和图2可以看出,在钻孔深度增加时，出水口出水平均温度几乎是线性下降，但当钻孔深度超过80m后, 两支管地温升比急剧增加,从80m地 2急剧增加到100m地3,支管间地漏热加剧从而降低了单位管长地换热效率 . 因此, 建议钻孔深度不要太深 , 对要求较低出水温度地工况可以使用两个 U型管并联工作来减少支管间地温升比，提高单位管长地换热效率 .M2ub6vSTnP30^0 SO1090 10钻孔深度/m图1出水温度随钻孔深度地变化曲线Fig.5 Change of the outlet water temperature with holedepth OYujCfmUCwand outlet temperatures2.4不同流速对热效率地影响 根据工程经验，管内流速一般都小于1.2m/s,拟选取1.2m/s,0.9m/s,0.6m/s,0.5m/s,0.4m/s,0.3m/s,0.2m/s,0.15m/s. 流速为 1.2m/s 时,管内流动雷诺数为20000,0.12m/s 时，雷诺数为2000,这样地选取覆盖了从过 渡流到旺盛紊流地不同流态，其单位井深平均热流量变化情况如图7. sQsAEJkW5T由图3可知,在进口水温一定时，传热量随流速增大而增加，但是变化趋势逐 渐变缓•流速在0.12-0.4m/s 地阶段，换热量随流速地增加幅度较大 ，而0.4- 31 iH图2两支管地温升比随钻孔深度地变化曲线Fig.6 Change of the specific value between inlet with hole depth euts8ZQVRd0.6m/s地阶段,换热量随流速地增长幅度较小，约为原来地一半甚至更小，流速在0.6m/s以上时，换热量随流速地增加改变地幅度已经很小，也就是说，每增加单位流速得到地热流量增量随着流速地增加在减小.GMsIasNXkA图3不同流速下热流量地变化趋势3.结论（1>地源热泵U型管地下换热器地换热效率随支管间距地增大而增加，但当支管间距增加到一定值后支管问距地增加对 U型管地下换热器换热效率地影响变弱. 在使用地回填土材料热导率变大时，支管间距地变化对U型管地下换热器换热效率影响变大，因此建议在使用高热导率材料地同时应该适当加大U型管两支管地间距.TlrRGchYzg<2 ）地源热泵U型管地下换热器地换热效率随回填土材料热导率地增加而增大•为了提高U型管地下换热器效率，应该努力提高回填土层地热导率.7EqZcWLZNX （3）在钻孔深度增加时，出水口出水温度几乎成线性下降；但是当钻孔深度超过80m时,两支管地温升比急剧增加，从80m地2急剧增加100m地3,支管间地热损失加剧，从而降低了单位管长地换热效率•因此，在实际操作中建议钻孔深度不要太深，对要求较低出水温度地工况可以使用两个U型管并联工作来减小支管间地温升比,提高单位管长地换热效率.lzq7IGf02E数减小,如果流动状态由紊流流动变为层流流动 , 则对流换热系数变化就很显著并且由于地下换热埋管是闭环系统 , 水泵扬程只需克服沿程摩擦阻力和局部阻力不考虑提升高度 , 因此, 流速可以适当取高一些 , 以保证管内流体流动处于紊流状态,从而增加对流换热系数 .但是如果流速过高 , 压力损失会很大 , 增大了循环水泵地扬程 , 得不偿失 , 因此 , 我们应综合考虑热流量和压力地损失 . zvpgeqJ1hk4.研究方向及应用前景目前地源热泵系统地应用以每年10%左右地速度递增 , 未来对于该系统地研究将更集中于高效率和低投资方面 . 未来对于地源热泵系统地研究将主要集中在以下几个领域：4.1 地源热泵系统仿真模拟研究通过仿真模拟技术对地源热泵系统能耗、设计、控制等方面进行分析地手段已经成为对于研究地重要方式之一 , 而地下埋管换热器 <ground-loop heat exchanger ) 是地源热泵系统地重要组成部分 , 它地换热情况是研究地重点 , 因此对于地源热泵系统地仿真模拟 , 主要研究方向集中于地下埋管换热器模型地建立和优化 .4.2 地源热泵系统控制策略研究对地源热泵系统而言 , 如何能够更有效地进行长期稳定地制冷或供热是评判该系统优劣地标准 . 建筑物冷热负荷和地下埋管换热器向土壤地排吸热量不均、地下埋管换热器地换热量受地下水渗流影响等问题 , 同时空调系统中多种冷热源地综合利用已越来越普遍 , 因此对于地下埋管换热器系统控制策略研究显得尤为重要 .4.3 地下埋管换热器填料优化研究对于地下埋管换热器孔洞中填料地优化研究有利于提高地下埋管换热器和土壤之间地换热量 , 提高系统地效率 . 4.4 土壤导热率测试技术研究地下埋管换热器地传热过程较为复杂 , 涉及地因素较多 , 因此建立和完善地下传热模型 , 使其具有更好地适应性和计算精度 , 为地下埋管换热器地设计和土壤热物性地测定提供理论基础必将成为研究工作地重点 . 同时, 在系统地施工中 , 如何能够快速有效地通过测试和仿真 ,从而得到土壤物性参数 , 是目前实际工程中所关心主要技术问题之一 .4.5 多种影响因素地考虑和螺旋埋管等不常见换热器地研究现有地下埋管换热器模型以垂直地下埋管换热器地仿真模型居多 , 而对于水平埋管、倾斜埋管以及螺旋埋管地建模研究相对而言有所欠缺. 随着计算机仿真技术地不断发展 , 考虑到管群地影响、土壤冻融地影响、地下水渗流等相关因素地影响, 必然需要对地下埋管换器仿真模型加大研究地投入 . NrpoJac3v1 参考文献[1]曾和义,刁乃仁, 方肇洪.竖直埋管地热换热器钻孔内地传热分析 .太阳能学报 ,2004,25(3> ： 3991nowfTG4KI[2]Gu Yian, O ' Neal Dennis L. An analytical solution to transientheat conduction in a composite region with a cylindrical heat source.Trans ASME,1995,117:242 fjnFLDa5Zo[3]柳晓雷, 王德林,方肇洪. 垂直埋管地源热泵地圆柱面传热模型及简化计算山东建筑工程学院学报 ,2001, 16( 1>: 47 tfnNhnE6e5C,Spitler ,J D. A short time step response factor[4] Y avuzturkmodel HbmVN777sLfor vertical ground loop heat exchangers. ASHREAETrans , V7l4jRB8Hs1999, 105( 2>:475[5] Muraya N K ,O ' Neal D L,Heffingt on W M. Thermal interferenceof adjacent legs in a vertical U-tube heat exchanger for a groundcoupled heat pump. ASHREAE Trans,1996,102(2>：1283lcPA59W9[6]刁乃仁,曾和义,方肇洪.竖直U型管地热换热器地准三维传热模型. 热能动力工程 .2003, 18( 4> : 387[7]. Diao N R, Cui P and Fang Z H, The thermal resistance in a borehole ofgeothermal heat exchanger, Proceeding of 1th2International Heat TransferConference,France, 2002.mZkklkzaaP[8]曾和义，方肇洪.U形管地热换热器中介质轴向温度地数学模型山东建筑工程学院学报 ,2002,17(1>:7-11.AVktR43bpw。
U型管地热换热器热作用半径的数值模拟
Ｕ型管地 热换热器热作用半径 的数值模拟
王艳 刁乃仁 王京
山东建筑大学热能工程学 院
摘 要 ： 针对竖直 ｕ型埋 管地热换热器土壤传热范 围的问题 ， 建立 了 ｕ型埋地换热器三维非稳态传 热模 型 。 ｕ型 管 与土壤 间的传 热受诸多 因素 的影 响 ， 文采用 Ｃ Ｄ软件 Ｆ ＵＥ 本 Ｆ Ｌ ＮＴ对 ｕ型管 的进 口温度 、 口流速 、 进 运行 时间 、
０ 引 言
随着 我 国能 源结构 的调 整 ， 热泵技 术越 来越受 到 人们 的关注 。与空气源 热泵 、 地下水 源热泵 以及地 表
的传 热过程 ， 因素相互作 用 ， 各种 使土壤的传热能力逐
渐减 弱最终 趋于稳 定甚至传热终止 。另一方 面 ，对于 地埋 管地 源热泵系统来说 ， 季通 过热泵 把大地 中的 冬 热量 升高温度后对 建筑供热 ， 同时使大地 中温度 降低 ， 即蓄存 了冷 量 ， 可供冬季使用 ； 夏季通过热泵把建筑 中
ＦＬＵＥＮＴ． ｈｅｒ ｓ ｌｓｍ ａ ｒ ｖｉｅｇ ｉ ａ ｃ ｎ ｔｅｄ ｓｇ ｆ Ｔ ｅ ｕ ｔ ｙｐ ｏ ｄ ｕ ｄ ｎ ｅｉ ｅ ｉｎ ｏ ｈ ＧＣＨＰ ｓ ｔｍ ｓ ｙｓｅ ． Ｋｅ ｙｗ ｏｒ Ｕ ． ｂ ． ｍ ｅ ｉａ ｉ ｕ ａｉ ｎ ｔｅ ａ ｉ ｌ ｅ ｃｎ ａ ｉ ｄ： ｔ ｅ ｎｕ ｒｃ ｌ ｍ ｌｔｏ ． ｒ ｌｎｆ ｎ ｉ ｇｒ ｄｕｓ ｕ ｓ ｈ ｍ ｕ
土壤初始 温度 以及土壤热物性在夏季不 同工况下对 ｕ 型管热作用半 径的影 响进行 了数值 模拟研 究。本 文得 出的 结果可 以用来指 导地 源热泵工程的设计 。 关键词 ： Ｕ型管 数值模拟 热作用半径
Ｎｕｍ ｅｒ ｃ ｍ ｕｌ ｉ ｉ ａｌＳｉ ａｔ ｏｎ ｏｎ Ｔｈｅｒ ａｌｉ ｆ ｕ ｃｉ ｇ ｍ ｎ ｌ ｅｎ ｎ Ｒａｄｉ ｓ ｆ Ｕ－ ｕｂｅ Ｇｒ ｕ ｏ ｔ ｏｕｎｄ
竖直U型埋管换热性能的研究
华中科技大学硕士学位论文竖直U型埋管换热性能的研究姓名：张虹申请学位级别：硕士专业：供热、供燃气、通风及空调工程指导教师：沈国民20061101华中科技大学硕士学位论文摘要本文针对武汉一办公建筑地源热泵系统，利用全年逐时负荷计算软件DeST进行了全年逐时冷热负荷计算，通过对计算结果进行处理得到了后续模拟过程所需的重要参数：逐月总冷热负荷和逐月冷热负荷峰值。
对土壤热物性的三个主要评价指标K和热扩散率a及其相应的影响因素进行了详细的分析，并根热容量c、导热系数s据非稳态导热理论建立了地下浅层土壤温度波动状况的数学模型，进一步分析得出了确定土壤初始温度的计算公式，利用该公式可对地下浅层土壤温度进行全年逐时计算。
文中分别引入了2组曲线拟合方程来描述热泵机组在制冷工况和制热工况下的性能，结合机组样本中给定的机组性能数据，计算出了制冷和制热工况下对应的曲线拟合方程的系数，得到了4组反映热泵机组性能的拟合曲线。
此外还详细阐述了确定地下换热器负荷、尺寸及布局方式的理论依据和回填材料的相关特性。
课题选用ASHRAE推荐使用的地源热泵设计模拟软件GLHEPRO 3.0来进行模拟计算，在全年逐月总冷热负荷及逐月冷热负荷峰值计算结果的基础上，综合考虑各设计参数，设计了几种不同工况，利用GLHEPRO 3.0中的GLHESIZE模块和GLHESIM模块分别对地下换热器尺寸及运行性能的主要影响因素进行了系统性的综合分析，以期为地源热泵在我国的推广应用提供建议和参考。
分析结果表明，影响地下换热器尺寸的主要因素有土壤特性、回填料导热系数、原始地温、钻孔间距、U型管两支管间距及管内循环流体流速等，影响换热器运行性能的主要因素有：U型管两支管间距、钻孔间距、原始地温、土壤导热系数、回填料导热系数及钻孔布局方式等。
换热器尺寸和运行性能关系到整个地源热泵系统的运行效果、节能效果及初投资，是评价地源热泵系统在技术方面和经济方面是否具有优势的关键指标，在设计过程中对这些影响地下换热器尺寸和运行性能的相关因素均需加以充分考虑。
地源热泵U型埋管非稳态传热数值模拟
地源热泵U型埋管非稳态传热数值模拟贾永英;周正;支艳;王志国【摘要】针对严寒地区气候特点和冬季冻土特点,建立了严寒地区地源热泵垂直U 型埋管换热器周围非稳态温度场的物理模型和数学模型.利用ANSYS和FLUENT 软件建立U型换热器三维数值模型并进行数值模拟,计算换热器内的温度分布并分析U型管进口水温、回填材料、U型管埋深对换热器换热性能的影响.将模拟结果与实测数据进行比较,验证了该模型的正确性.研究结果为地源热泵的的优化设计和运行提供有益的参考.【期刊名称】《低温建筑技术》【年(卷),期】2015(037)009【总页数】3页(P139-141)【关键词】地源热泵;U型管;数值模拟;换热性能【作者】贾永英;周正;支艳;王志国【作者单位】东北石油大学土木建筑工程学院,黑龙江大庆 163318;东北石油大学土木建筑工程学院,黑龙江大庆 163318;中国石油天然气管道局北戴河培训中心,河北秦皇岛066100;东北石油大学土木建筑工程学院,黑龙江大庆 163318【正文语种】中文【中图分类】TU832.02垂直U型埋管的地源热泵系统，由于其换热效率高、占地面积小、工作性能稳定等优点，成为目前在我国应用最为普遍的一种地源热泵换热形式。
由于地埋管换热器是地源热泵系统的核心部分，为弄清影响U型埋管换热器换热性能的影响因素，国内外研究者对地源热泵系统的地埋管换热器进行了大量实验和数值模拟研究。
1986年，V.C.Mei［1］提出了三维瞬态边界元的传热模型。
Abu-Nada等人提出了三维圆柱源的理论模型，同时发现U型管出口温度随着埋深的增加而升高，并且还与埋管的位置有关。
Rasim Karabacak等人在土耳其对一套地源热泵系统的供冷性能进行实验测试，发现地源热泵系统供冷时的COP 为3.1～4.8，而热泵的COP为2.1～3.1。
杨伟波等人，对南京地区的地源热泵夏季运行性能进行实验发现，间歇运行工况优于连续运行工况，而且可以更有效的改变埋管周围土壤温度变化趋势，降低温升率，提高机组运行性能。
地源热泵中U型埋管传热过程的数值模拟
ＶＯ ＿ ７ Ｎｏ １ ｌ３ ． Ｊｎ ２ ｏ ａ， ｏ ７
地 源 热 泵 中 Ｕ型 埋 管 传 热 过 程 的数 值 模 拟
杨 卫 波 施 明恒
（ 东南大学能源与环境学院 ，南京 ２ ０ ９ ） １０ ６
摘要 ： 以钻孔壁为界将 ｕ 型埋管的换热 区 域划分为钻孔 内外两部分 ， 并分别采用稳态与非稳态 传热来分析求解 ， 区域模型间通过钻孔壁温耦合连接， 两 以构成 完整 的埋管传热模 型． 对于钻孔 以外部分， 采用变热流圆柱源模型来求解钻孔瞬时壁温． 钻孔以内部分， 在考虑埋管流体 温度 的
Ｙａ ｇ Ｗ ｅｂ ｎ ｉｏ Ｓ ｉＭ ｉｇ ｅ ｇ ｈ ｎ ｈ ｎ
（ ｃｏ ｌ ｆ ｎｒｙａ ｎ ｉ ｎ ｅ ｔ Ｓ ｕ ｅｓ Ｕ ｉ ｒ ｔ， ａｊ ｇ １ ９ ， ｈｎ ） Ｓｈ ｏ ｏ ｅ ｎ Ｅ ｖ ｏ ｍ ｎ， ｏｔ ａ ｎ ｅ ｉ Ｎ ｎ ｎ ０ ６ Ｃ ｉ Ｅ ｇ ｄ ｒ ｈ ｔ ｖ ｓｙ ｉ ２ ０ ａ
ｔ ｎ ｆ ｒｍｏ ｅ ｓｄ ｖ ｌｐ ｄ ｂ ｓ ｄ ｏ ｎ ｒ ｙ ｃ ｎ ｅ ｖ ｔ ｎ ｒ ｓｅ ｄ ｌ ｅ ｅｏ ｅ ａ ｅ ｎ ｅ ｅ ｇ ｏ ｓ ｒ ａｉ ．Ｔｈ ｙ ａ ｃ ｓｍｕ ａｉ ｎ ｏ ｈ ｐ ｒ ｔ ｎ ａ ｉ ｏ ｅ ｄ ｎ ｍｉ ｉ ｌｔ ｎ ｔ ｅ ｏ ｅ ａｉ ｏ ｏ
ｂ ｕ ｄ ｒ ｆｂ ｒ ｈ ｌ ｌ ａ ｄ ｔ ｅ ｔ ａ ｔ ａｅ ｃ ｕ ｌｄ ｂ ｅ ｔ ｍｐ ｒ ｔ ｒ ｆｂ ｒ ｈ ｌ ｌ １ Ｂｏ ｈ ｏ ｎ ａ ｙ ｏ ｏ ｅ ｏ ｅ ｗａｌ ｎ ｈ ｗｏ ｐ ｒｓ ｒ ｏ ｐ ｅ ｙ ｔ ｅ ｅ ａ ｕ ｅ ｏ ｏ ｅ ｏ ｅ ｗａ ． ｈ ｔ ｓ ａ ｙ ａ ｄ ｔ ｎ ｉ ｎ ｅ ｔｔａ ｓ ｅ ｔｏ ｒ ｓ ｄ ｔ ｎ ｌ ｚ ｈ ｅ ｔｔ ｎ ｆ ｒ ｃ ａ ａ ｔ ｒ ｔ ｓｉ ｓ ｅ ｔ ｄ ｎ ｒ ｓ ｔｈ ａ ｎ ｆ ｒ ｍｅｈ ｄ ａ ｅ ｕ ｅ Ｏ ａ ａ ｙ ｅ ｔ ｅ ｈ ａ ｒ ｓｅ ｈ ｒ ｃｅ ｓｉ ｎ ｉ ｅ ａ ｅ ｒ ａ ｉ ｃ ｄ ａ ｄ ｏ ｔｉ ｅ ｂ ｒ ｈ ｌ ｅ ｐ ｃｉ ｅ ｙ ｎ ｕ ｓ ｏ ｅ ｏ ｅ ｒ ｓ ｅ ｔ ｌ ．Ｔ ｅ ｔ ｎ ｉ ｎ ｏ ｅ ｏ ｅ ｗａ ｌ ｅ ｅ ａ ｕ ｅ ｉ ｃ ｌ ｕａ ｅ ｏ ｏ ｅ ｏ ｅ ｄ ｖ ｈ ｒ ｓ ｔｂ ｒ ｈ ｌ ｌ ｔｍｐ ｒ ｔ ｒ Ｓ ａｃ ｌｔｄ ｆ ｒ ｂ ｒ ｈ ｌ ａ ｅ ｂ ｓ ｆｔ ｅ ｖ ｒａ ｌ ｅ ｔ ｆ ｘ ｃ ｌ ｄ ｃ ｌｓ ｕ ｃ ｄ ｌ ｄ ｖ ｌ ｐ ｄ ｂ ｓ ｄ ｏ ｈ ｌｓｉ ａ ｏ ｓ ｎ ｙ ｕ ｅ ｏ ａ ｉｂ ｅ ｈ ａ ｕ ｙｉ ｒ ａ ｏ ｒ ｅ ｍｏ ｅ ｅ ｅ ｅ ａ ｅ ｎ ｔ ｅ ｃａ ｓ ｌｃ ｎ ｔ ｔ ｈ ｌ ｎｉ ｏ ｃ ａ ｈ ａ ｕ ｙ ｉ ｄ ｉ ａ ｏ ｒｅ ｔｅ ｒ Ａｓ ｆ ｒ ｔｅ ｒ ｇ ｏ ｎ ｉ ｅ ｂ ｒ ｈ ｌ ，ｃ ｎ ｉ ｅ ｎ ｈ ａｉ ｔ ｎ ｏ ｅ ｔ ｘ ｃ ｌ ｒ ｌｓ ｕ ｃ ｈ ｏ ｙ． ｌ ｆ ｎ ｃ ｏ ｈ ｅ ｉ ｎ ｉ ｓ ｏ ｅ ｏ ｅ ｏ ｓｄ ｒ ｇ ｔｔ ｎ ｔ ｎ ｅｔｎｅ ｅｅｃ ｅｗ ｅ ｄａｅ ｔｅｓ ａｓ ａｙｈ ａ ｆ ｉ ｍ ｅａ ｒ ｌｎ ｅｌ ｇｈａ ｄｔｅｈ ａ ｉｔｒ ｒｎ ｅｂ ｔ ｅｎｔ ｏａｊｃｎ ｇ ， ｅｄ ｅｔ ｕ ｅ ｕ ｏ ｈ ｅ ｈ ｆ ｗ ｌ ｔ
套管式燃气辐射管外壁平均温度的计算
和
T
,
分 别 为外管 壁平 均壁 温和 环境 温度
,
;
I
。
为
排烟 温度 工 对应 的熔值
,
1
.
为外 界 冷 空 气 烩值
, ,
为 过量 空 气 系 数 因 此 式 中 有 两 个 未 知 数 几
:
和 c T 还 需 找 出 其他 方 程 才 能 求 解 为 此 列 出 外 管 的 热 平 衡 方 程
近 几 年 来 套 管 式 燃 气 辐 射 管 已 开 始 在 我 国 工 业 生 产 中 应 用 其 结 构 如 图 1所 示 它 主 要 由 然 气燃 烧 器 和 内 外 套 管 组 成 燃 气 经 点 火 器 7 点 火 后 燃 烧 产 生 高 温 烟 气 经 内 管 1 3 的端 头折 返 流 人 内 外 管之 间的 环形 空 间 经与 外 管换 热后 由烟 气 出
第
199
春第4
年7 月
期
东
O I RN L
南
OF
大
学
学
UN 八刃
报
11
o
l
.
N
o
.
4
Q 叮 刃夕 巧丁
l y 19 9 u
研 究 简报
套 管式燃气辐 射管 外 壁 平 均 温 度 的 计 算
刘存 芳
周强泰
,
张 梦珠
华
,
峰
( 东南 大 学动 力工 程 系 南京 2 1 0 0 1 8 )
( 山 东 工 业 大 学动 力 系 济南 2 5 0 0 1 4 )
热平衡方 程 l [ j
:
,
、
.
收 稿 口期
:
竖直U型管地热换热器的准三维传热模型
这一复合区域二维稳态导热问题而得到[7] ,即 :
R11
=
1 2πkb
ln
rb rp
+ σ·ln
r2b r2b - D2
+ Rp
R12
=
1 2πkb
ln
rb 2D
+ σ·ln
r2b r2b - D2
(2)
其中 :σ =
kb kb +
k k , Rp
=
1 2πkp
l
n
rb rp i
+
1 2πrp ih
地下埋管换热器传热模型的研究一直是地源热 泵空调系统的技术难点 ,同时也是该项技术研究的 核心和应用的基础 。地热换热器传热分析的基础是 单个钻孔的传热分析 ,对于多个钻孔的情况可在单 个钻孔分析的基础上采用叠加原理进行分析处理 。
对于地热换热器 ,其整个传热过程是一个复杂 的 、非稳态的传热过程 ,所涉及的时间尺度很长 ,通 常为数月至数年 。因此在工程实际应用的模型中 , 通常都以钻孔壁为界 ,把所涉及的空间区域划分为
容量以及钻孔的深度有关 。在 U 型管的两支管对称
布置于钻孔中的情况下有 R13 = R23 ,此时可定义 P
=
R132 R13
=
Δ
R12
Δ
。P
是两个导热热阻之比
,
与流动介质
R1
的热容量和换热器的长度无关 , 主要取决于钻孔和
U 型管的几何结构尺寸及固体介质的导热系数 。
图 2 U 型埋管地热换热器中流体温度分布曲线
关 键 词 :地源热泵 ; 地热换热器 ; 热阻 ; 效能
中图分类号 :TQ051. 5 ; TK124 文献标识码 :A
内衬管对U型辐射管表面温度分布的影响
（ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ， Ｔ ｏ ｎ ｇ ｊ ｉ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ， Ｓ ｈ ａ ｎ ｇ ｈ ａ ｉ ２ ０ ０ ０ ９ ３ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ａ ｔ ｈ ｒ ｅ ｅ － ・ ｄ ｉ ｍｅ ｎ ｓ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｎ ｕ ｍｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｈ ａ ｓ ｂ ｅ ｅ ｎ ｃ ａ ｒ ｒ ｉ ｅ ｄ ｏ ｕ ｔ ｔ ｏ ｉ ｎ ｖ ｅ ｓ ｔ ｉ ｇ ａ ｔ ｅ ｃ ｏ ｍｂ ｕ ｓ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｈ ｅ ａ ｔ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｆ ｅ ｒ ｉ ｎ ｓ ｉ ｄ ｅ ａ Ｕ・ － ｔ ｙ ｐ ｅ ｒ ａ ｄ ｉ ・ － ａ ｎ ｔ ｔ ｕ ｂ ｅ ｂ ｕ ｒ ｎ ｅ ｒ ｗｉ ｈ ｔ Ｆ ＬＵＥ ＮＴ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗａ ｒ ｅ ．Ｉ ｔ ｉ ｓ ｉ ｎ ｖ ｅ ｓ ｔ ｉ ｇ ａ ｔ ｅ ｄ ｔ ｈ ａ ｔ ｈｅ ｔ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｎ ｅ ｒ ｌ ｉ ｎ ｅ ｒ ｌ ｏ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｔ ｕ ｂ ｅ ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｄ ｉ ｓ ｔ ｒ ｉ ｂ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｈｅ ｔ ｐ ｏ ｌ ｌ ｕ ｔ ａ ｎ ｔ ｃ ｏ ｎ ｃ ｅ ｎ ｒａ ｔ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｅ ｘ ｈ ａ ｕ ｓ ｔ ．Ｉ ｔ ｉ ｓ ｆ ｏ ｕ ｎ ｄ ｔ ｈ ａ ｔ ｗｈ ｅ ｎ ｔ ｈ ｅ ｄ ｉ ｓ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ ｂ ｅ ｔ ｗｅ ｅ ｎ ４ ０ ｍｍ ａ ｎ ｄ ６ ０ ｍｍ ｈｅ ｔ ｐ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｍ— ｂ ｕ ｓ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｈ ｅ ａ ｔ ｒ ｔ ａ ｎ ｓ ｆ ｅ ｒ ａ ｅ ｒ ｗｅ ｌ １ ．Ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｉ ｓ ｎ ｏ ｏ ｂ ｖ ｉ ｏ ｕ ｓ ｒ ｅ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｂ ｅ ｗｅ ｔ ｅ ｎ ＮＯｘ ｅ ｍｉ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ ｅ ｘ ｈ ａ ｕ ｓ ｔ ｇ ａ ｓ ａ ｎ ｄ ｗｉ ｈ ｔ ｔ ｈ ｅ ｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｉ ｎ ｎ ｅ ｒ ｔ ｕ ｂ ｅ ．
热电热管辐射系统数值模拟和实验研究
收稿日期：２０１８－５－２１ 作者简介：普希望 （１９９２－），男，助理工程师，硕士。研究方向：热电辐射空调、热电发电。Ｅｍａｉｌ：ｐｘＯＮ Ｎｏ．３，２０１８
（Ｖｏｌ３７ ＴｏｔａｌＮｏ．１４４）
热惰性，以及采用热电热管辐射板的辐射空调系统 的性能。
１ 数值模拟分析
１１ 新型热电热管辐射板的结构 我国与欧洲国家的气候相比更加潮湿，尤其是
位于我国南方的城市，辐射板在这种气候下工作极 易出现结露现象，这极大地阻碍了热电辐射空调系 统在我国应用的步伐。结露现象的出现会使得辐射 板的换热热阻 （包括对流换热热阻以及辐射板与 其他换热表面的热阻） 增大，从而影响整个辐射 空调系统的换热性能。为了提高辐射板的热均匀 性，本章给出一种新的热电热管辐射板结构，该结 构的简单示意图如图 １所示。在新结构中热电片放 置在辐射板背部的几何中心处，热管等间距的焊接 在金属辐射板上。
忽略热电辐射板其他能量损失，基于热电模块 的制冷以及制热的基本计算公式，结合热力学系统 换热方程进行数学建模，根据一段时间内进出 ＴＥＣ
数值计算结果表明，当环境温度为 ４０℃，室 内设定温度为 ２６℃ （即为辐射板换热的环境温度） 时，这时热电 模 块 处 于 制 冷 模 式， ＣＯＰ对 应 的 最 大值 ＣＯＰｍａｘ为 ２４７，而 ＣＯＰｍａｘ相应的最适电流值 Ｉ 为 １０６Ａ，对应的热电模块的制冷量 Ｑｃ为 ７４１Ｗ； 当环境温度为 ０℃，室内设定温度为 ２２℃ （即为辐 射板室内换热的环境温度），此时热电模块处于制 热模 式，ＣＯＰ对 应 的 最 大 值 ＣＯＰｍａｘ为 ２１２， 而 ＣＯＰｍａｘ对应的最适电流值 Ｉ为 １８５Ａ，对应的热电 模块的制热量 Ｑｈ为 １８９３Ｗ。 １３ 物理模型建立与热分析
环境中辐射热传导的数值模拟方法研究
环境中辐射热传导的数值模拟方法研究辐射热传导是指物体表面的热辐射通过空气或其他介质传导到周围环境的过程。
在环境工程、建筑设计、能源利用等领域，对辐射热传导的研究具有重要意义。
本文将探讨环境中辐射热传导的数值模拟方法。
一、辐射热传导的基本原理辐射热传导是一种通过电磁波辐射传递热量的方式，其基本原理是热辐射的能量传递和吸收。
物体表面的热辐射能量与其温度有关，根据斯特藩-玻尔兹曼定律，辐射能量与物体表面的温度的四次方成正比。
当物体表面温度高于周围环境的温度时，热辐射能量会向周围环境传递，从而引起辐射热传导。
二、数值模拟方法的基本原理数值模拟方法是通过数学模型和计算机仿真技术来模拟和计算实际问题。
在辐射热传导的数值模拟中，常用的方法包括有限差分法、有限元法和辐射传递方程法。
有限差分法是一种将连续的物理问题离散化为有限个节点的方法。
在辐射热传导的数值模拟中，可以将物体表面划分为若干个小区域，通过差分近似来计算每个小区域的温度分布和能量传递。
有限差分法的优点是计算简单、速度快，但是对于复杂的几何结构和边界条件处理较为困难。
有限元法是一种将连续的物理问题离散化为有限个单元的方法。
在辐射热传导的数值模拟中，可以将物体表面划分为三角形或四边形的单元，通过有限元法来计算每个单元的温度分布和能量传递。
有限元法的优点是适用于复杂的几何结构和边界条件处理较为灵活，但是计算量较大。
辐射传递方程法是一种通过求解辐射传递方程来模拟辐射热传导的方法。
辐射传递方程是描述辐射热传导的偏微分方程，可以通过数值方法求解。
辐射传递方程法的优点是能够考虑辐射热传导的物理过程和边界条件，但是计算复杂度较高。
三、数值模拟方法的应用辐射热传导的数值模拟方法在环境工程、建筑设计和能源利用等领域具有广泛的应用。
在环境工程中，数值模拟方法可以用于分析城市热岛效应和空气污染物扩散过程中的辐射热传导。
通过模拟不同地区的热辐射能量传递和吸收情况，可以评估城市热岛效应对环境的影响，并提出相应的调控措施。
激光辐照材料表层温升规律的数值模拟
激光辐照材料表层温升规律的数值模拟马健;赵扬;郭锐;宋江峰;贾中青;刘帅;孙继华【摘要】In order to load laser energy reasonably in the laser ultrasonic testing under the ablation mechanism and obtain large amplitude of ultrasonic signal without damaging the detected material , temperature rise and laser ablation of material surface irradiated by laser were analyzed .Theory model of laser irradiating material surface was established and laser was loaded on the material surface by the form of heat flux .By combining heat conduction differential equation with the boundary condition of convective heat transfer and radiation heat transfer , the latent heat in the material surface during the heating process was dealt with effectively and numerical simulation of temperature field of material surface irradiated by laser was made.The program flow of laser ablating material finite element analysis was given out .Taking 45# billet for example, laser irradiation simulation was made .The temperature rise lawof the nodes of the irradiated area , of the lower area and near the boundary was analyzed .Contrasting with the actual ablation by laser irradiation and collecting the laser ultrasonic signal, the verification was made.The results show that numerical simulation provides the basis for the load during the finite element thermal stress analysis and the reference for the loading of the laser energy during the laser ultrasonic test.% 为了在烧蚀机制下的激光超声检测中合理加载激光能量，获得幅值较大的超声信号而不过于损伤被检材料，需要分析激光辐照材料表层的温升规律及激光烧蚀的问题。
U型管传热量影响因素的数值模拟研究
U型管传热量影响因素的数值模拟研究吴玉庭;顾中煊;马重芳;唐志伟【期刊名称】《工程热物理学报》【年(卷),期】2007(28)1【摘要】地下换热器是地源热泵的重要组成部分,竖直U型管是最常见的地下换热器形式。
U型管与土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,本文建立了地源热泵竖直U型管地下换热器的三维全尺寸数值模型,在此基础上采用CFD软件FLUENT对U型管的埋管深度、进口水温、管内流速等一系列因素在冬夏不同工况下对U型管传热量的影响进行了数值模拟研究。
经过整理分析得出的各种因素对传热量影响可以为优化工程设计提供依据。
【总页数】3页(P116-118)【关键词】U型管;传热;数值模拟【作者】吴玉庭;顾中煊;马重芳;唐志伟【作者单位】传热强化与过程节能教育部重点实验室及传热与能源利用北京市重点实验室北京工业大学环境与能源工程学院【正文语种】中文【中图分类】TK523【相关文献】1.NC型6000t/d规模预热器系统C1旋风筒分离效率影响因素的数值模拟研究[J], 丁苏东;宁建根;吴建军;陈翼;刘志国;蔡玉良2.摘要建立了激光打孔过程的固／液／气三相三维数值计算模型，采用水平集（1evel[．set）方法处理能量输入边界并追踪气液（L／V）界面发展，从而对激光打孔过程中的孔壁变化进行描述．模型综合考虑了材料气化、熔融液体溅射两种效应，涉及熔化潜热、气化潜热吸收及辐射散热损失等因素．基于有限体积法，编制计算程序，对激光打孔过程中的温度场、孔型演化过程进行了数值模拟，探讨了不同激光参数对打孔过程的影响．该模型对认识和研究激光打孔行为具有参考价值，也可以扩展至其他高能束流在材料表面的打孔描述． [J], 葛志福;虞钢;何秀丽;卢国权;李少霞3.多因素影响下Y型管内流动状态数值模拟研究 [J], 杨文; 李建良; 刘刚4.W型辐射管NOx排放影响因素的数值模拟 [J], 刘燕燕;张国志5.数学模型与数值模拟在铸造充型过程的应用研究——评《铸造充型凝固过程数值模拟系统及应用》 [J], 陈志伟;董萍萍;刘涛因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
U型管集热器流场和热特性的数值模拟
U型管集热器流场和热特性的数值模拟
安玉娇;高岩;李德英
【期刊名称】《能源技术》
【年(卷),期】2010(031)003
【摘要】根据传热学原理,建立了U型管集热器的能量平衡方程,根据方程在FLUENT中建立动态模拟仿真模型.利用模型分析了U型管的入口速度、太阳辐射量和外形尺寸对真空管内的温度场和流场的影响.模拟结果表明U型管内的流场一般不受入口速度的影响.模拟结果还表明:较高的入口速度、较强的太阳辐射量或较大的U型管内径时,集热器有较高的效率;相反较小的入口速度、较高的太阳辐射量或是较小的U型管内径时,真空管的出口平均温度较高;与入口流速、太阳辐照度和玻璃管长度因素相比,合适的U型管的内径对于优化真空管的结构和提高其热效率起着更为重要的作用.
【总页数】6页(P169-174)
【作者】安玉娇;高岩;李德英
【作者单位】北京建筑工程学院,北京,100044;北京建筑工程学院,北京,100044;北京建筑工程学院,北京,100044
【正文语种】中文
【中图分类】TK515
【相关文献】
1.U型管式真空管集热器的仿真及集热瞬态效率的计算 [J], 安玉娇;高岩;李德英
2.基于平板微热管阵列的新型太阳能空气集热器集热特性的研究 [J], 朱婷婷;刁彦华;赵耀华;邓月超
3.新型U型管式真空管太阳能集热器研究 [J], 童逸杰
4.微型抛物槽式太阳能集热器集热特性研究 [J], 冯晨; 杨谋存; 朱跃钊
5.液氮通过受热U型管传热特性的数值模拟 [J], 邓冬;汪荣顺
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
燃 气辐 射 管 以煤气 为燃 料， 制 的 密 在特 封 套 管 内燃烧 ， 过 受 热 的套 管 表 面 以热 通
辐 射 的形 式 把热 量 传 递 到被 加 热 物 体 ， 燃 烧 产 物 不 与 被加 热 物 体 接触 ， 会造 成 燃 不
烧 气 氛 污 染 或影 响产 品 质量 ， 内气 氛 及 炉 加 热 温度 使 控 制 和 调 节 ， 要 用 ｆ金 属 土 热 处理 、 料熔 化 等对产 品质量 要求 高的场 物
度 对辐 射 管 表 面 温 度 的均 匀 性 有很 人 的 影 响 ，如果 火焰 过短 ，靠近烧 嘴 一端 的温度 将 人大 高于 尾部 的温度 ， 相反 ， 如果 火焰 过长 ， 则一 部分燃 料 不能 在管 内完全 燃烧 ， 成 尾 造 部温 度过 高 ， 同时 使效 率 降低 。 图 ３ ，， ａ Ｃ分别 为一 次预热 空气 占 ３ ％， ｂ ０ ５ ％，７ ％时辐射 管 内的燃 烧情 况 ，从 图 ３ ０ ０ （ ）中可 以清 楚 的看 出 ，当一 次空气 最 占 ａ 总量 的 ７ ％的时候 ，火焰 的 中心 在 离辐 ０ 射 管 弯 头 处 还 有 一 段 距 离 ，最 高 温 度 为 ２ ６ Ｋ， 而 在 辐 射 管 的 尾 部 ，火 焰 温 度 为 ２０ １ ４ Ｋ：从 图 ３（ ）中可看 出 ，当一 次空气 ７０ ｂ 量 占空气 总 量 为 ５ ％的时 候 ，火焰 的中心 ０
１ １ 物理模 型 ．
研 究对 象为 １支燃烧 能力为 ２ ２ ｗ 的 ７ｋ 抽 吸 式辐射 管 ， 结构如 图 ｌ 示 。 空气 其 所 冷 先 经换 热器 预热后 ，与天然 气混 合燃烧 ，由 引射器将 烟气 排 出。 空气通 过换热 器与烟 气 的交换 热量 ，温度 可达到 ３ ０ ，从而 实现 ５℃ 烟 气热 量 的同收 。 其烧 嘴结构 采用 分级燃烧 技 术 ，如 图 ２ ，通 过燃烧 筒将 燃烧 用的 空气 分 为一 次进风 和二 次进风 ， 由拉杆 来调 节 并
Ｕ 型辐射管 的表面温度分布 的数值模拟研究
许鹏彦
摘 要 ：以一 支燃烧 能 力为 ２ ２ Ｗ 的抽 吸式辐射 管 为研究 对象 ， 商业 Ｃ Ｄ 软件 对辐 ７ｋ 利用 Ｆ 射管 表面 温度 分布 进 行数值 模拟 ， 进行 试验 验 证 ， 点分 析 了辐 射 管沿 长度方 向温 度 分 并 重 布 的规律 及其 影响 【 素 。结 果表 明，分级 燃烧技 术 以改善辐 射 管的表 面温 度 分布 ，使此 大 】 辐 射 管的表 面最人温 差 明显低 于ｉ 型的辐射 管 。并有利 调 节烟气 的加 热能力， 刊类 ｊ 改善其加 热性 能，且有 效抑 制 ＮＯ ｘ生成 。
Ｏｔ
上 述各 式 中 ， 为流 体密 度 ， 为 时 间， Ｐ ｆ ， 代表 ｌ ，３ ，２ ，“为速度 矢量 ，Ｘ为 坐标 。 为粘性 系数 ，Ｐ 为表面 力矢 量 ，ｇ 是作 ， 用 在 单位 体积流 体 的 ｉ 向的 体积力 。 是 方 包括 动 能 的总热焓 ，Ｑ ｄ Ｑ 分 别为辐 射 和 利 化 学 反应热 源项 ， 表 示 热 交换 系 数 。 ｒ 为 组分 Ｓ的交 换 系数 ， 尺 为组 分 Ｓ由于 化 学 反应 引起 的产生或 消 耗率 。
＋（Ⅳ毒 ） ＋ ＋ 丢 ） （ ＋ Ｑ ＝ 詈
组分力程 ： ’
０ ｎ ｐｒ ￣
＿
＋ （ ｆ ） （ ＝
ｉ Ｕｘｉ ａ）ｉ 【
） ＋
２ 计 算 结 果 与 讨 论
２ １一 次 、 ． 二次 进风 量对 辐射 管表 面温度 的
影 响 分级 燃烧 叮以影 响火焰 长度 ， 而火焰 长
含激 烈化 学反应 的流动 、 传热及 传质 的综合
昙 ）－ ， 一 ￣ ） （ ＋ （ ＋－ ＋ ］ － ） － （ ＋ ： － ［
Ｈ ． ‘ ： 一） 程 ｅ ｍ ＿ ａ
过 。 述 述 理 型 括 下 制 程 描 上 物 模 包 以控 办
连续性旆 塑＋ ： 。
１３ 计 算方法 ． 使用 Ｆ ＵＥ ６１模拟 了甲烷 与空气混 Ｌ ＮＴ ． 合物在辐 射管 内燃 烧情况 。通过 改变空燃 比 和拉 杆的位置 ，来研究其对 辐射管 表面温度 分布均匀 性 的影 响。计算 中入 口气流 速度和
温度 、山 口 力等 是在 已完 成实验 的基础上 确定 的。为 了获得 对辐射 管表面温度 分布 的 影响 ， 针对拉杆在不 的位 置进行计算对 比。 空气 入 口采用速 度 入 口边 界 ， 口温 度 入 设为 ６ ３ ２ Ｋ； 山 口采用 压力 边界 条件 ；燃 料 为 民用天 然气 。 射管 内壁 面沿 射流 方 向采 辐 用擘 面 函数， 管壁 内部无热 源， 度变 化 由辐 温 射 管 材料 的导 热系数 确 定 。采 用紊 流模 型 ， 流体 密度根 据理 想气 体 方程计 算 ， 体 的混 流 合气 体 的传 热 系数 、 滞系 数平 导热 系数 根 粘 ¨ 据 组 分特性 的质 量加 权平 均来 计 算 。 中采 文 用 单精 度耦 合求 解器 来求 解控 制方 程 ， 的 解 收敛根 据控 制方程 残 筹值来 ｙ 定 。 － ０
二次风 量 的配 比。一次进 风先利 煤气进 行 一次燃烧 ， 时为贫 氧燃烧 ；二次进 风与 此
一
合 。分级 燃烧 可 以实现 辐 射 管 内 的低 氧 燃 烧， 提高辐 射管 热效 率及 降低 ＮＯ ｘ的生成 。 本文 利用 商业 Ｃ Ｄ软什 Ｆ ＵＥ ６对辐 射 Ｆ Ｌ ＮＴ 管 表面温度 分布进 行数 值模拟 ， 并与实验 数 据进 行对 比， 分析 了分级燃 烧技术 对辐射 管 表面温 度 分布 的影响 。
、
ｌ 物 理模型和数学模 型
燃烧 筒 内流 出的剩余煤 气进 行二 次燃烧 。 分 级燃 烧 既降低 了辐 射 管 内的局部 高温 区， 又 可 以抑制 Ｎ Ｏｘ的生 成 。
图 １ 辐 射 管 工 作 原 理 不 葸 图
１ ２数 学模型 ．Fra bibliotek动 量办程
辐 管 燃 过 模 的 确 直 射内烧程拟准性接