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【2017年整理】抛管式换热器理论模型及实验验证.doc

发布:2017-06-04约3.73千字共8页下载文档
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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△x的控制体,根据下述假设,对每个长度为△x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Tf=Tf(x,t); 3)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。 图1 抛管换热器与地表水换热的控制体示意图 1)i控制体内地表水与抛管换热器管外壁的对流换热量Qi: (1) 式中,dout 为抛管换热器管外壁直径;tout 为地表水温度;tw,out,i为i控制体抛管换热器管外壁温度;△x为控制体长度;ro为污垢系数,在这里取ro=0.0006㎡·℃/W;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hout,w: (2) 式中,Grout、Prout分别为地表水的格拉晓夫数、普朗特数;因为地表水流速非常缓慢,所以取C=0.48,n=0.25。 2)i控制体通过抛管换热器管壁的导热量Qi: (3) 式中,dout 为抛管换热器管外壁直径;din 为抛管换热器管内壁直径;tw,out,i为i控制体抛管换热器管外壁温度;tw,in,i为i控制体抛管换热器管内壁温度;λw为抛管换热器管壁的导热系数,λw=0.49W/(m﹒K);△x为控制体长度。 3)i控制体内载冷剂溶液和抛管换热器管内壁的对流换热量Qi: (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 (5) 其中,雷诺数Re: (6) 式中,Prin、uin、νin分别为载冷剂溶液的普朗特数、流速、运动粘度系数;tf,i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: (7) 式中,ρin、cp,in 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。 图2 冬季实验系统流程图 图3 夏季实验系统流程图 热泵机组采用涡旋
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