拋管式換熱器理論模型及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

1、數(shù)值傳熱學(xué)在拋管式換熱器模型建立中的應(yīng)用摘要利用數(shù)值傳熱學(xué)的理論知識(shí)對(duì)拋管式換熱器建立了傳熱模型,通過(guò)兩套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)數(shù)學(xué)模型在冬夏兩季的換熱過(guò)程進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算的對(duì)比分析驗(yàn)證了理論模型的正確性。關(guān)鍵詞數(shù)值傳熱學(xué)；拋管式換熱器；傳熱模型；實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證0引言地表水熱泵系統(tǒng)按其地下?lián)Q熱器的水環(huán)路形式，可分為開(kāi)式環(huán)路地表水熱泵系統(tǒng)和閉式環(huán)路地表水熱泵系統(tǒng)。開(kāi)式系統(tǒng)最大的問(wèn)題在于結(jié)垢，因?yàn)樗毓嗳氲乇硭?，所以不能用化學(xué)方法加藥；閉式系統(tǒng)機(jī)組和地表水不直接接觸，沒(méi)有結(jié)垢問(wèn)題，且閉式系統(tǒng)的水泵系統(tǒng)因?yàn)椴槐乜朔娜∷c(diǎn)到機(jī)組的阻力同開(kāi)式系統(tǒng)相比能耗更低1-7。在冬季運(yùn)行的時(shí)候閉式系統(tǒng)里面可以充防凍

2、液，沒(méi)有結(jié)冰的危險(xiǎn)，這樣可以取更大的進(jìn)出水溫差，降低系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)水量8-10。本文根據(jù)熱平衡原理建立拋管式換熱器的理論模型,進(jìn)行了理論計(jì)算并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比,驗(yàn)證了該理論模型的適用性。1拋管式換熱器數(shù)學(xué)模型在傳熱過(guò)程中，載冷劑溶液在拋管換熱器內(nèi)流過(guò)，與管外的地表水進(jìn)行熱交換，其傳熱經(jīng)歷下列三個(gè)過(guò)程：1）拋管換熱器外壁與地表水的對(duì)流換熱；2）通過(guò)拋管換熱器管壁的導(dǎo)熱；3）拋管換熱器管內(nèi)載冷劑溶液與管內(nèi)壁的對(duì)流換熱。圖1為拋管式換熱器控制體換熱的示意圖。圖中給出了載冷劑（質(zhì)量比8%的乙二醇水溶液）的流動(dòng)方向，拋管換熱器沿載冷劑溶液流動(dòng)方向被等分為N段長(zhǎng)度為的控制體，根據(jù)下述假設(shè)，對(duì)每個(gè)長(zhǎng)度為Ax

3、的控制體進(jìn)行能量平衡分析。1）拋管換熱器管壁材料和水的物理參數(shù)均視為常數(shù)；2）拋管任一截面內(nèi)的流體介質(zhì)溫度和速度是相同的，即T=T（x,t）；ff3）忽略拋管換熱器曲率半徑的影響；4）忽略管內(nèi)介質(zhì)沿拋管換熱器軸向的導(dǎo)熱換熱；5）本模型為穩(wěn)態(tài)模型。tf|Qitw,intw,out圖1拋管換熱器與地表水換熱的控制體示意圖i控制體內(nèi)地表水與拋管換熱器管外壁的對(duì)流換熱量Q：iQi二(認(rèn)w+ro加dout心ouf-fw,out,i1)式中，d為拋管換熱器管外壁直徑；t為地表水溫度；t為i控制體outoutw,out,i拋管換熱器管外壁溫度；Ax為控制體長(zhǎng)度；r為污垢系數(shù)，在這里取r=0.0006OO/W

4、；運(yùn)用大空間自然對(duì)流換熱公式11可以求得地表水與拋管換熱器外壁的對(duì)流換熱系數(shù)h：2)out,wNu=C5utProut)式中，Gr、Pr分別為地表水的格拉曉夫數(shù)、普朗特?cái)?shù)；因?yàn)榈乇硭魉賝utout非常緩慢，所以取C=0.48，n=0.25。i控制體通過(guò)拋管換熱器管壁的導(dǎo)熱量Qi：tw,out,itw,in,i3)Qi=2兀九w-lndoutdin式中，d為拋管換熱器管外壁直徑；d為拋管換熱器管內(nèi)壁直徑；toutinw,out,i為i控制體拋管換熱器管外壁溫度；t為i控制體拋管換熱器管內(nèi)壁溫度；w,in,i入為拋管換熱器管壁的導(dǎo)熱系數(shù)，入=0.49W/(mK)；Ax為控制體長(zhǎng)度。wwi控制體內(nèi)

5、載冷劑溶液和拋管換熱器管內(nèi)壁的對(duì)流換熱量Qi：Qi=hin兀.din心tw,in,i_if,i（4）載冷劑溶液在拋管換熱器管內(nèi)的流動(dòng)是處于強(qiáng)制紊流狀態(tài)的，運(yùn)用Dittus一Boelter公式11可以求得拋管換熱器管內(nèi)壁與管內(nèi)載冷劑溶液的對(duì)流換熱系數(shù)h：in斷=O.23Re隣Pr監(jiān)九wdin其中，雷諾數(shù)Re：Reinuindinvin6)式中，Pr、u、v分別為載冷劑溶液的普朗特?cái)?shù)、流速、運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù);ininint為i控制體中拋管換熱器管內(nèi)載冷劑溶液的溫度；冬季工況時(shí)n=0.4；夏季f,i工況時(shí)n=0.3。4）載冷劑溶液流過(guò)i控制體所得到的熱量Qi：TOC o 1-5 h z兀2tf,i+It

6、f,i1（7）Qi=4din，vinPincp,in2式中，p、c.分別為載冷劑溶液的密度和定壓比熱；t,t分別為i-1,inp,inf,i-1f,i+1i+1控制體中拋管換熱器管內(nèi)載冷劑溶液的溫度。利用托馬斯算法12求解熱平衡方程，采用VB編程軟件即可求出載冷劑溶液出口溫度。2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹為了驗(yàn)證所建立的數(shù)學(xué)模型，一套地表水源熱泵系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)被建立。冬季實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)主要由熱泵機(jī)組、接觸式調(diào)壓器、電加熱器（2kW電加熱管三個(gè)）、拋管換熱器模型、風(fēng)機(jī)盤管、乙二醇溶液循環(huán)泵、冷卻水循環(huán)泵、潛水泵、玻璃棒溫度計(jì)、熱電偶溫度計(jì)、精密壓力表、浮子流量計(jì)等組成。夏季實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)主要由熱泵機(jī)組、兩臺(tái)風(fēng)機(jī)盤管、拋

7、管換熱器模型、乙二醇溶液循環(huán)泵、冷卻水循環(huán)泵、潛水泵、玻璃棒溫度計(jì)、熱電偶溫度計(jì)、精密壓力表、浮子流量計(jì)等組成。冬、夏季系統(tǒng)流程圖如圖2、3所示風(fēng)機(jī)盤管膨脹水箱冷卻水循環(huán)泵冷凝器蒸發(fā)器電加熱器irm調(diào)壓器膨脹水箱lTjT?1浮手自二子動(dòng)動(dòng)醇流調(diào)排循量節(jié)氣環(huán)計(jì)閥閥泵A閥圖2冬季實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程圖膨脹風(fēng)機(jī)盤管蒸八、發(fā)器盤球閥LJ1I浮手自溫壓子動(dòng)動(dòng)度力醇流調(diào)排計(jì)表循量節(jié)氣環(huán)計(jì)閥閥泵圖3夏季實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程圖熱泵機(jī)組采用渦旋式壓縮機(jī)，工質(zhì)R22,額定軸功率3.51kW；水泵揚(yáng)程8m,流量6m3/h；實(shí)驗(yàn)中載冷劑溶液選用質(zhì)量比為8%的乙二醇溶液；冬季工況時(shí)，機(jī)組的蒸發(fā)器接地表水中的拋管換熱器，與地表水換熱；冷

8、凝器接室內(nèi)風(fēng)機(jī)盤管,向室內(nèi)送熱風(fēng)。夏季工況時(shí)，機(jī)組的冷凝器接地表水中的拋管換熱器，與地表水換熱；蒸發(fā)器接室內(nèi)風(fēng)機(jī)盤管,向室內(nèi)送冷風(fēng)；地表水中的拋管換熱器距水面約3.0m,拋管換熱器采用管徑為32mm/26mm的高密度聚乙烯塑料管,拋管換熱器總長(zhǎng)200m，加工后的拋管換熱器模型如圖4所示。為了獲得拋管換熱器內(nèi)乙二醇溶液的溫度分布，將熱電偶焊接在拋管換熱器管壁內(nèi)，為了保證測(cè)量溫度的準(zhǔn)確性，在焊接處用保溫棉包好。沿拋管換熱器平均每10米布置一個(gè)熱電偶測(cè)點(diǎn)，共17個(gè)測(cè)點(diǎn)，研究沿乙二醇溶液流向上拋管換熱器管內(nèi)流體溫度分布情況，測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示。圖4拋管換熱器模型結(jié)構(gòu)形式2022圖5實(shí)驗(yàn)溫度測(cè)點(diǎn)布置圖3

9、.模型驗(yàn)證在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，地表水與乙二醇溶液的物性參數(shù)值見(jiàn)表1。圖6和7所示是分別在冬季和夏季工況下，載冷劑體積流量為0.8m3/h時(shí)，管內(nèi)載冷劑溶液沿流動(dòng)方向上溫度分布實(shí)驗(yàn)值和理論值的比較。由圖可以看出，理論計(jì)算的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常吻合，載冷劑溶液沿流動(dòng)方向上的溫度誤差在5%以內(nèi)。因此，我們可以看出數(shù)學(xué)模型可以很好的的預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們所建立的數(shù)學(xué)模型是正確的。表1數(shù)值計(jì)算參數(shù)值物性參數(shù)水Prout11.60質(zhì)量比10%的乙二醇溶液Pin(kg/m3)1018B(K-1)0.000084cP,in(kJ/kgK)3.937Vout(m/s)0.0000015Vin(m/s)0.0000

10、0204PE管入(W/mw-K)0.49Prin16.0管內(nèi)徑din(m)0.026拋管幾何參數(shù)管外徑dout(m)0.032圖6冬季工況載冷劑沿管長(zhǎng)溫度分布實(shí)驗(yàn)值和理論值比較圖7夏季工況載冷劑沿管長(zhǎng)溫度分布實(shí)驗(yàn)值和理論值比較4結(jié)論拋管式換熱器的提出很好的解決了開(kāi)式系統(tǒng)冬季進(jìn)口溫度過(guò)低導(dǎo)致機(jī)組無(wú)法運(yùn)行及結(jié)垢等問(wèn)題。本文利用數(shù)值傳熱學(xué)的理論，建立了拋管式換熱器的傳熱模型，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)拋管式換熱器在冬夏兩種工況下的換熱模型進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果指出，數(shù)學(xué)模型的模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常吻合，誤差小于5%。因此，這個(gè)數(shù)學(xué)模型可以用于分析拋管式換熱器的換熱過(guò)程。本文可以對(duì)實(shí)際工程中閉式環(huán)路地表水換熱器的設(shè)計(jì)提

11、供參考，具有實(shí)際參考價(jià)值。參考文獻(xiàn)SWAC-SeaWaterAirConditioning HYPERLINK /e-swac.htm%e3%80%89 /e-swac.htm金權(quán),寇偉,王文桐等.大連某港口侯船樓海水源熱泵系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析J.建筑科學(xué),2007,23(10):103108.邢秀強(qiáng)，王海英.海水源、地源熱泵在青島應(yīng)用的可行性J.煤氣與熱力，2007,27(7):6972.于健,袁永林，張斌.青島國(guó)際帆船中心媒體中心海水源熱泵綜合調(diào)試J.青島理工大學(xué)學(xué)報(bào),2006,27(6):124127.于立強(qiáng)青島東部開(kāi)發(fā)區(qū)建設(shè)海水冷熱源大型熱泵站可行性分析J.暖通空調(diào),1996(5):1013.劉全根面向海洋，開(kāi)發(fā)能源一海洋能開(kāi)發(fā)利用的現(xiàn)狀、趨勢(shì)和對(duì)策J.新能源,1995,3:1518.李萍，郝斌.海水源熱泵應(yīng)用典范J.建設(shè)科技,2004,14:2627.張軍.地表水源熱泵的發(fā)展現(xiàn)狀以及面臨問(wèn)題J.技術(shù)交流,2007,28(