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.pdf

第 39卷第4期 当 代 化 工 Vol-39．No．4 2010年 8月 ContemporaryChemic~Industry August，2010 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术 陈忠华，杜明俊，马贵阳，戚积功 (辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，辽宁抚顺 113001) 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。 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 中图分类号：TQ019 文献标识码：A 文章编号： 1671—0460(2010)04—0442—40 地源热泵利用地下一年四季温度恒定的特性 1 问题的描述及模型的建立 及土壤巨大的蓄热蓄冷能力，进行供热制冷，是热 以辽宁地区为例，冬季平均气温 253K，地表平 泵的一种。在节能环保要求 日益提高的今天，地源 均风速 1m／s，土壤密度 1447kg／m ，比热 1382J／ 热泵正以其不可替代的优势，越来越受到人们的关 ( ·K)，导热系数 1．512w ／(m K·)，地下埋管采用 注。然而地埋管热泵的广泛推广需要开展对埋管换 高密聚乙烯PE管 ，外径 32mln，内径 25mm，密度 热器存在的一些应用和理论问题进行研究，其中包 1680kg／m ，比热 1100J／(kg·K)，导热系数 0．42 括选择合适的回填材料及热泵系统对周围土壤温 W／(mK·)，管内水温 278K，流速 0．16m／s，管长 30 度场作用的变化规律等问题[1]。因此研究不同导热 m，双管间距 100IlllTI，回填区半径 120111111，模拟区 系数的回填材料对土壤温度场的影响具有实际意 域半径 5m，初始地温290K。由于2管脚中心线所 义。地下埋管换热器与其周围回填材料和土壤的传 构成的平面两侧无论是几何形状还是传热、流动过 热过程是一个非常复杂的非稳态换热过程 ，一方 程均是对称的，故简化为对称结构。基于管壁及 回 面，换热器的埋管方式 ，土壤物性参数，地下水文参 填区附近温度梯度较大，这里采用四面体单元网格 数，回填材料及地表气象参数等都影响着换热器的 对管道及周围回填区进行网格加密以确保准确捕 传热过程，另一方面，换热器的传热过程又与热泵 捉到温度的变化。而土壤区采用六面体网格划分见 机组的运行特性相互影响21『，因此以往对埋管