熱滲耦合的地下水源熱泵抽灌井傳熱數值模擬

點擊：1851 日期：[ 2014-04-26 21:35:54 ]

熱滲耦合的地下水源熱泵抽灌井傳熱數值模擬馬云東　姜秋耘　潘　科 (大連交通大學土木與安全工程學院,遼寧大連116028) 摘要:基于達西定律,分析了飽和區土壤中地下水源熱泵抽灌井傳熱機制,構建了熱滲耦合共同作用下的數學模型,研究了有無地下水滲流及滲流速度對抽灌井周圍溫度場變化的影響,使用COMSOL Multiphysics軟件對建立的模型進行了分析模擬。實例結果表明,該模型具有較好的適用性,為系統的優化設計與參數合理匹配提供了理論支持。關鍵詞:抽灌井;地下水源熱泵;邊界設定;數值模擬;滲流中圖分類號:TV138; TK124文獻標志碼: A 文章編號:1000-7709(2010)12-0039-03 地下水源熱泵空調系統是一種新型的可再生能源利用技術,即利用淺層地下水溫度較為恒定的特性,以淺層地下水作為能量載體,通過壓縮機系統,夏季將建筑物內的熱量轉移到地下水中,冬季將地下水中的熱量轉移到建筑物內,可實現建筑物內的制冷和供暖[1]。運行中每消耗1 kW電能,就獲得3.5~4.0 kW冷熱能,也不會產生N、C、S、P等有害大氣氣體,高效能,無污染[2],因此該系統已在我國得到推廣應用。目前,地下水源熱泵換熱器設計理論如線源理論、圓柱源理論及其他數學模型均以無地下水流動和巖土熱物性不變為假設條件,但地下水源熱泵抽灌水井深度通常達數十米乃至上百米,其中或多或少存在地下水的滲流甚至流動,這有利于地下水源換熱器的傳熱、減弱或消除換熱器吸放熱不平衡的現象,進而能減少換熱器的設計容量,最終關系整個系統的初投資費用。地下水源熱泵系統在土壤中的傳熱過程受地下水滲流的影響,是一個熱滲耦合過程,長期運行對地下水溫度場影響較大,需對抽灌井進行合理布置。鑒此,本文借助計算機模擬該過程獲得相應數值解,研究有無地下水滲流及滲流速度對抽灌井周圍溫度場變化的影響,對解決實際問題具有指導意義。 1·地下水源熱泵抽灌井熱滲耦合模型多孔介質具有吸收和貯存地熱能的特點[3],土壤是一個飽和或部分飽和的含濕多孔介質體,存在于土壤中的水在重力、土粒吸附力、毛管力等各種力的共同作用下表現出固態、氣態、吸附態、自由態等。地下水位線以上多為非飽和區土壤,地下水位線以下換熱器區域水體流動指側向近水平的飽和流動,一般包含潛水和承壓水。土壤中熱量的傳遞必然引起水分的遷移,而水分的遷移又將伴隨熱量的傳遞。 1.1　飽和土體達西定律土壤液態水在土壤空隙中運動,所以采用描述一般液體在多孔介質中流動的達西定律表示土壤水的運動規律,即: q =-KdH/dL(1) 式中,q為單位時間通過單位斷面的水量;K為土壤滲透系數,在土壤水飽和運動中K為常數,不隨水壓值變化,在不飽和運動中K值隨水壓值變化而變化;dH為水流運動起點和終點的勢能差;dL為水流運動起點和終點的距離;負號表示水勢梯度與水流方向相反。 1.2　飽和土體水分運動基本方程質量與能量守恒是物質運動和變化普遍遵循的原理,將此原理應用于多孔介質液體流動可獲得土壤水分運動基本方程,見文獻[4]。對土壤空隙中粘滯阻力大、流速緩慢的一維水平層流流動,以x(θ,t)為未知函數修正土壤水分運動基本方程: 式中,t為時間;θ為土壤含水率;D為土壤水擴散率,是含水率的函數。 1.3　飽和土體滲流能量方程單相流體非等溫滲流能量方程見文獻[5,6],滲流速度均勻,且僅沿水平方向的一維水平層流流動的能量方程簡化為: 式中,ρ為密度;cp為比熱容;T為溫度;f為飽和水的物性值;k為多孔介質導熱系數。 1.4　模型簡化假設 ①將土壤視為一個均勻、各向同性的飽和多孔介質,忽略質量力、熱輻射影響和粘性耗散,流體與固體瞬間達到局部熱平衡。②忽略地下水縱向滲流影響,僅考慮水平方向層流流動。③抽灌水井壁與原狀土壤相同,物性參數一致。④忽略滲流路徑迂回曲折,僅分析主要流向,土?？障稙闈B流所充滿。式(2)、(3)共同構成了地下水源熱泵抽灌井在有滲流的飽和土體周圍熱滲耦合控制方程。初始條件:θ=θ0,t=0,T=T0 邊界條件: θ/ x=0,t≥0,0≤x≤ 2·數值模擬對建立的熱滲耦合模型,除個別理想條件或十分簡單情況下,一般無法獲得解析解。數值模擬采用COMSOL Multiphysics 3.5軟件。假設某地下水源熱泵系統灌水井管長60 m,地下水溫為當地常年平均溫度287 K,回灌井水溫297 K。管材選用高密度聚乙烯(PE)管,筒壁導熱系數k=0.3 W/(m·K)。管中循環液為水,流速0.8 m/s。管內壁溫度與循環液溫度相同,管外壁溫度與地下水溫度相同。 297 K水的物性系數為:動力粘度μ=1×10-3N·s/m2,密度ρ=998 kg/m3,比定壓熱容cp=4 000 J/(kg·K),導熱系數k=0.6 W/(m·K)。土壤為粗砂土,287 K粗砂土:ρ=1 600 kg/m3,cp=1 650 J/(kg·K),k=1.8 W/(m·K),孔隙率n=0.38,含水率θ=1.4。應用COMSOL Multiphysics地球科學模塊,采用模型構建的偏微分方程及邊界條件對該模塊進行修正,通過如下步驟進行參數設置和分析模擬無滲流及滲流速度分別為v=10、30、90 m/a時土壤溫度場的變化規律。步驟1　繪制幾何圖形。選擇模型導航視窗地球科學模塊新增瞬態分析的對流與傳導模型,空間維度為2D。在繪圖面板上繪制內徑0.5 m、外徑20 m的圓環(內徑為回灌水井直徑,外徑為土壤熱作用半徑范圍),見圖1。步驟2　元素、截面及材料定義。選擇管壁材料為聚乙烯(PE)管,循環液為水,土壤為粗砂土,使用SI單位制。步驟3　分格。最大單元尺寸比例調整系數1,單元增長率1.3,網格曲率系數0.3,網格截止曲率0.001,狹區松弛度1,三角形網格劃分方法,溫度梯度大的區域較溫度梯度小的區域網格劃分更為細密。COMSOL Multiphysics軟件對網格的劃分及加密十分方便,避免了繁瑣的繪制過程。步驟4　載荷及約束。求解域地熱密度設為多孔介質,初始溫度為當地常年平均溫度287 K。對假定模型,將比定壓熱容、邊界溫度、密度、導熱系數、孔隙率、含水率等參數輸入模型約束設定。步驟5　計算及結果。軟件模擬有滲流和無滲流2種情況下地下水源熱泵換熱器的傳熱情況。圖2、3分別為離抽灌井不遠處有滲流和無滲流2種情況下土壤溫度場的分布。由圖2可看出,無滲流的土壤溫度場以中心對稱,而有水平滲流的溫度場發生了變形。在模擬工況中,滲流速度從10 m/a增加到90 m/a時,熱傳遞距離分別約從6.0 m增至9.5 m。在有滲流情況下,由于土壤水分熱容大于土壤固相熱容,因此加權平均后土壤總的熱容增大,沿滲流方向的熱傳遞距離增大。地下水的滲流或流動對通過土壤進行的熱交換影響明顯,將有效減弱地下水源熱泵換熱器冷熱負荷的不平衡。 3·結語 a.將土壤視為多孔介質,運用達西定律可很好解決地下水滲流對水源熱泵換熱器傳熱的影響。 b.有滲流時抽灌井周圍溫度場熱作用半徑低于無滲流時情況,在相同面積土壤范圍內可布置更多的熱源井以提高土壤利用價值。建議抽水井與回灌井間的距離為10~15 m,且回灌井應位于抽水井下游。 c.模擬結果表明,地下水流速越大,沿滲流方向的熱傳遞距離越大,系統達到穩態的時間越短,熱作用半徑越小。若忽略地下水滲流影響,將導致地下水源熱泵設計容量偏大、成本增加。由于不同巖土層介質滲流速度變化范圍大,建議地下水源熱泵系統方案設計前應加強工程場地狀況調查,以獲取水文地質資料和數據。參考文獻: [1]陳東,謝繼紅.熱泵技術及其應用[M].北京:化學工業出版社,2006. [2]胡連營.地源熱泵技術講座(三)地源熱泵系統的選擇[J].可再生能源,2008,26(3):122-124. [3]歐陽莉,劉偉.多孔介質—雙層玻璃幕墻傳熱與流動特性[J].水電能源科學,2010,28(6):163-164,170. [4]王紅旗,劉新會,李國學,等.土壤環境學[M].北京:高等教育出版社,2007. [5]Bear J. Dynamics of Fluids in Porous Media [M].NewYork:American Elsevier Publishing Company,Inc. 1972. [6]范蕊,馬最良.熱滲耦合作用下地下埋管換熱器的傳熱分析[J].暖通空調,2006,36(2):6-10,82.

上一篇：銅管—管殼式換熱器的設計

下一篇：核電站海水冷卻系統換熱器防腐技術的研究與應用

熱滲耦合的地下水源熱泵抽灌井傳熱數值模擬

相關資訊