抛管式换热器理论模型及实验验证

1、数值传热学在抛管式换热器模型建立中的应用摘要利用数值传热学的理论知识对抛管式换热器建立了传热模型,通过两套实验系统对数学模型在冬夏两季的换热过程进行验证，实验结果和理论计算的对比分析验证了理论模型的正确性。关键词数值传热学；抛管式换热器；传热模型；实验验证0引言地表水热泵系统按其地下换热器的水环路形式，可分为开式环路地表水热泵系统和闭式环路地表水热泵系统。开式系统最大的问题在于结垢，因为水要回灌入地表水系，所以不能用化学方法加药；闭式系统机组和地表水不直接接触，没有结垢问题，且闭式系统的水泵系统因为不必克服从取水点到机组的阻力同开式系统相比能耗更低1-7。在冬季运行的时候闭式系统里面可以充防冻

2、液，没有结冰的危险，这样可以取更大的进出水温差，降低系统内循环水量8-10。本文根据热平衡原理建立抛管式换热器的理论模型,进行了理论计算并与实验数据进行了对比,验证了该理论模型的适用性。1抛管式换热器数学模型在传热过程中，载冷剂溶液在抛管换热器内流过，与管外的地表水进行热交换，其传热经历下列三个过程：1）抛管换热器外壁与地表水的对流换热；2）通过抛管换热器管壁的导热；3）抛管换热器管内载冷剂溶液与管内壁的对流换热。图1为抛管式换热器控制体换热的示意图。图中给出了载冷剂（质量比8%的乙二醇水溶液）的流动方向，抛管换热器沿载冷剂溶液流动方向被等分为N段长度为的控制体，根据下述假设，对每个长度为Ax

3、的控制体进行能量平衡分析。1）抛管换热器管壁材料和水的物理参数均视为常数；2）抛管任一截面内的流体介质温度和速度是相同的，即T=T（x,t）；ff3）忽略抛管换热器曲率半径的影响；4）忽略管内介质沿抛管换热器轴向的导热换热；5）本模型为稳态模型。tf|Qitw,intw,out图1抛管换热器与地表水换热的控制体示意图i控制体内地表水与抛管换热器管外壁的对流换热量Q：iQi二(认w+ro加dout心ouf-fw,out,i1)式中，d为抛管换热器管外壁直径；t为地表水温度；t为i控制体outoutw,out,i抛管换热器管外壁温度；Ax为控制体长度；r为污垢系数，在这里取r=0.0006OO/W

4、；运用大空间自然对流换热公式11可以求得地表水与抛管换热器外壁的对流换热系数h：2)out,wNu=C5utProut)式中，Gr、Pr分别为地表水的格拉晓夫数、普朗特数；因为地表水流速outout非常缓慢，所以取C=0.48，n=0.25。i控制体通过抛管换热器管壁的导热量Qi：tw,out,itw,in,i3)Qi=2兀九w-lndoutdin式中，d为抛管换热器管外壁直径；d为抛管换热器管内壁直径；toutinw,out,i为i控制体抛管换热器管外壁温度；t为i控制体抛管换热器管内壁温度；w,in,i入为抛管换热器管壁的导热系数，入=0.49W/(mK)；Ax为控制体长度。wwi控制体内

5、载冷剂溶液和抛管换热器管内壁的对流换热量Qi：Qi=hin兀.din心tw,in,i_if,i（4）载冷剂溶液在抛管换热器管内的流动是处于强制紊流状态的，运用Dittus一Boelter公式11可以求得抛管换热器管内壁与管内载冷剂溶液的对流换热系数h：in斷=O.23Re隣Pr监九wdin其中，雷诺数Re：Reinuindinvin6)式中，Pr、u、v分别为载冷剂溶液的普朗特数、流速、运动粘度系数;ininint为i控制体中抛管换热器管内载冷剂溶液的温度；冬季工况时n=0.4；夏季f,i工况时n=0.3。4）载冷剂溶液流过i控制体所得到的热量Qi：TOC o 1-5 h z兀2tf,i+It

6、f,i1（7）Qi=4din，vinPincp,in2式中，p、c.分别为载冷剂溶液的密度和定压比热；t,t分别为i-1,inp,inf,i-1f,i+1i+1控制体中抛管换热器管内载冷剂溶液的温度。利用托马斯算法12求解热平衡方程，采用VB编程软件即可求出载冷剂溶液出口温度。2实验系统介绍为了验证所建立的数学模型，一套地表水源热泵系统的实验台被建立。冬季实验台系统主要由热泵机组、接触式调压器、电加热器（2kW电加热管三个）、抛管换热器模型、风机盘管、乙二醇溶液循环泵、冷却水循环泵、潜水泵、玻璃棒温度计、热电偶温度计、精密压力表、浮子流量计等组成。夏季实验台系统主要由热泵机组、两台风机盘管、抛

7、管换热器模型、乙二醇溶液循环泵、冷却水循环泵、潜水泵、玻璃棒温度计、热电偶温度计、精密压力表、浮子流量计等组成。冬、夏季系统流程图如图2、3所示风机盘管膨胀水箱冷却水循环泵冷凝器蒸发器电加热器irm调压器膨胀水箱lTjT?1浮手自二子动动醇流调排循量节气环计阀阀泵A阀图2冬季实验系统流程图膨胀风机盘管蒸八、发器盘球阀LJ1I浮手自温压子动动度力醇流调排计表循量节气环计阀阀泵图3夏季实验系统流程图热泵机组采用涡旋式压缩机，工质R22,额定轴功率3.51kW；水泵扬程8m,流量6m3/h；实验中载冷剂溶液选用质量比为8%的乙二醇溶液；冬季工况时，机组的蒸发器接地表水中的抛管换热器，与地表水换热；冷

8、凝器接室内风机盘管,向室内送热风。夏季工况时，机组的冷凝器接地表水中的抛管换热器，与地表水换热；蒸发器接室内风机盘管,向室内送冷风；地表水中的抛管换热器距水面约3.0m,抛管换热器采用管径为32mm/26mm的高密度聚乙烯塑料管,抛管换热器总长200m，加工后的抛管换热器模型如图4所示。为了获得抛管换热器内乙二醇溶液的温度分布，将热电偶焊接在抛管换热器管壁内，为了保证测量温度的准确性，在焊接处用保温棉包好。沿抛管换热器平均每10米布置一个热电偶测点，共17个测点，研究沿乙二醇溶液流向上抛管换热器管内流体温度分布情况，测点布置如图5所示。图4抛管换热器模型结构形式2022图5实验温度测点布置图3

9、.模型验证在实验数据处理过程中，地表水与乙二醇溶液的物性参数值见表1。图6和7所示是分别在冬季和夏季工况下，载冷剂体积流量为0.8m3/h时，管内载冷剂溶液沿流动方向上温度分布实验值和理论值的比较。由图可以看出，理论计算的结果与实验结果非常吻合，载冷剂溶液沿流动方向上的温度误差在5%以内。因此，我们可以看出数学模型可以很好的的预测实验结果，我们所建立的数学模型是正确的。表1数值计算参数值物性参数水Prout11.60质量比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管内径din(m)0.026抛管几何参数管外径dout(m)0.032图6冬季工况载冷剂沿管长温度分布实验值和理论值比较图7夏季工况载冷剂沿管长温度分布实验值和理论值比较4结论抛管式换热器的提出很好的解决了开式系统冬季进口温度过低导致机组无法运行及结垢等问题。本文利用数值传热学的理论，建立了抛管式换热器的传热模型，并通过实验对抛管式换热器在冬夏两种工况下的换热模型进行验证，实验结果指出，数学模型的模拟结果和实验结果非常吻合，误差小于5%。因此，这个数学模型可以用于分析抛管式换热器的换热过程。本文可以对实际工程中闭式环路地表水换热器的设计提

11、供参考，具有实际参考价值。参考文献SWAC-SeaWaterAirConditioning HYPERLINK /e-swac.htm%e3%80%89 /e-swac.htm金权,寇伟,王文桐等.大连某港口侯船楼海水源热泵系统的技术经济分析J.建筑科学,2007,23(10):103108.邢秀强，王海英.海水源、地源热泵在青岛应用的可行性J.煤气与热力，2007,27(7):6972.于健,袁永林，张斌.青岛国际帆船中心媒体中心海水源热泵综合调试J.青岛理工大学学报,2006,27(6):124127.于立强青岛东部开发区建设海水冷热源大型热泵站可行性分析J.暖通空调,1996(5):1013.刘全根面向海洋，开发能源一海洋能开发利用的现状、趋势和对策J.新能源,1995,3:1518.李萍，郝斌.海水源热泵应用典范J.建设科技,2004,14:2627.张军.地表水源热泵的发展现状以及面临问题J.技术交流,2007,28(