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上海申銀泵閥制造有限公司作者
土壤源熱泵地下埋管換熱器的傳熱過程分析,是土壤源 熱泵性能分析和技術發展的關鍵環節,正確的換熱計算方法 是合理地設計土壤源熱泵系統、順利投產運行和管理的重要 科學依據。模擬埋地換熱器的傳熱過程主要是模擬地下埋 管及其鄰域的土壤溫度場。土壤源熱泵中地下水平埋管是 淺埋構筑物,管道的傳熱過程及土壤溫度易受到各地區氣候 等因素的影響。
模型的建立與求解
土壤源熱泵研究的許多技術問題要求對地下埋管的溫 度場和熱流密度進行比較的分析,特別是地下埋管及其 土壤鄰域。例如,研究地下埋管準靜態熱力損傷;分析埋設 區土壤的凍融狀態和土壤的熱物性變化;利用實測管道斷面 zui大溫差反演土壤平均導熱系數的演變等問題。因此,從較 的多層復連通域出發,導出解析形式的溫度場有較大意 義。土壤源熱泵地下水平埋管穩態熱力計算的理論模型在 其橫剖面上應當是平面多層區域內的熱傳導問題,該傳熱過 程是邊界條件較為復雜的二維傳熱問題。由于水平埋管埋 深較淺,該模型與其他分析解模型的區別在于充分考慮了大 氣溫度對換熱管周圍土壤溫度場的影響。
土壤中埋管受土壤溫度、大氣溫度的影響,管內流體的 能量通過管壁與周圍的土壤進行熱交換。由于地下埋管管 內流體與管道內壁的換熱熱阻較小,在計算中可以近似地加 以忽略,地下埋管內表面溫度可近似認為常數,即為管內流 體溫度。但由于地下埋管的材質的傳熱系數較小,管壁內沿 徑向存在溫度梯度,地下埋管的外表面溫度已不為常數,地 下埋管內的導熱問題不應為簡單的一維傳熱問題而是二維 導熱問題。大地表面溫度由于受到埋設的地下埋管的影響, 存在較大溫度梯度。土壤溫度必然隨著與地下埋管的相對 位置而不同。
事實上,土壤源熱泵地下埋管的傳熱過程非常復雜,存 在很多的影響因素,如:由于水平埋管屬于淺埋,必然受到大 氣晝夜和季節的溫度波動,地層本身熱流所產生的熱流場等 影響。為了抓住水平埋管及其周圍土壤溫度場計算中的主 要因素,可以忽略一些模型中的非決定性的因素,因此文中 在計算中對模型作了如下的假設:
（1） 對垂直于管道軸向方向的截面進行分析;在短距 離內忽略土壤源熱泵地下埋管內介質溫度軸向溫降,管內介質溫度為定值。
（2） 土壤是均勻的,地下埋管的管壁材質常物性、各向 同性。
（3） 忽略地下埋管內表面與管內介質的換熱熱阻,管 內介質溫度與地下埋管內表面溫度相等。
（4） 計算中的大氣溫度取當地室外的計算平均溫度。
（5） 忽略由于土壤中水分遷移而引起的熱遷移。
（6） 回填土不論壓實程度,土質等均為勻質大地的一 部分。
（7） 土壤的傳熱過程軸中心對稱分布。
模型的建立與求解
土壤源熱泵研究的許多技術問題要求對地下埋管的溫 度場和熱流密度進行比較的分析,特別是地下埋管及其 土壤鄰域。例如,研究地下埋管準靜態熱力損傷;分析埋設 區土壤的凍融狀態和土壤的熱物性變化;利用實測管道斷面 zui大溫差反演土壤平均導熱系數的演變等問題。因此,從較 的多層復連通域出發,導出解析形式的溫度場有較大意 義。土壤源熱泵地下水平埋管穩態熱力計算的理論模型在 其橫剖面上應當是平面多層區域內的熱傳導問題,該傳熱過 程是邊界條件較為復雜的二維傳熱問題。由于水平埋管埋 深較淺,該模型與其他分析解模型的區別在于充分考慮了大 氣溫度對換熱管周圍土壤溫度場的影響。
土壤中埋管受土壤溫度、大氣溫度的影響,管內流體的 能量通過管壁與周圍的土壤進行熱交換。由于地下埋管管 內流體與管道內壁的換熱熱阻較小,在計算中可以近似地加 以忽略,地下埋管內表面溫度可近似認為常數,即為管內流 體溫度。但由于地下埋管的材質的傳熱系數較小,管壁內沿 徑向存在溫度梯度,地下埋管的外表面溫度已不為常數,地 下埋管內的導熱問題不應為簡單的一維傳熱問題而是二維 導熱問題。大地表面溫度由于受到埋設的地下埋管的影響, 存在較大溫度梯度。土壤溫度必然隨著與地下埋管的相對 位置而不同。
事實上,土壤源熱泵地下埋管的傳熱過程非常復雜,存 在很多的影響因素,如:由于水平埋管屬于淺埋,必然受到大 氣晝夜和季節的溫度波動,地層本身熱流所產生的熱流場等 影響。為了抓住水平埋管及其周圍土壤溫度場計算中的主 要因素,可以忽略一些模型中的非決定性的因素,因此文中 在計算中對模型作了如下的假設:
（1） 對垂直于管道軸向方向的截面進行分析;在短距 離內忽略土壤源熱泵地下埋管內介質溫度軸向溫降,管內介質溫度為定值。
（2） 土壤是均勻的,地下埋管的管壁材質常物性、各向 同性。
（3） 忽略地下埋管內表面與管內介質的換熱熱阻,管 內介質溫度與地下埋管內表面溫度相等。
（4） 計算中的大氣溫度取當地室外的計算平均溫度。
（5） 忽略由于土壤中水分遷移而引起的熱遷移。
（6） 回填土不論壓實程度,土質等均為勻質大地的一 部分。
（7） 土壤的傳熱過程軸中心對稱分布。
關鍵詞：換熱器
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