《地热能供暖系统浅层竖直地埋管、中深层同轴套管式换热器的设计计算》由会员分享，可在线阅读，更多相关《地热能供暖系统浅层竖直地埋管、中深层同轴套管式换热器的设计计算（11页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、95 附录附录 C 浅层竖直地埋管换热器的设计计算浅层竖直地埋管换热器的设计计算 C.0.1 浅层竖直地埋管换热器的热阻计算宜符合下列要求： 1 传热介质与 U 型管内壁的对流换热热阻可按下式计算： ? ? ? （C.0.1-1） 式中 ?传热介质与 U 型管内壁的对流换热热阻（mK/W） ； ?U 型管的内径（m） ； h传热介质与 U 型管内壁的对流换热系数W/(m2K)。 2 U 型管的管壁热阻可按下式计算： ? ? ? ln? ? ? （C.0.1-2） ? ? （C.0.1-3） 式中 ?U 型管的管壁热阻（mK/W） ； ?U 型管导热系数W/(mK)； ?U 型管的外径（m） ；
2、 ?U 型管的当量直径（m） ；对单 U 型管，n=2；对双 U 型管，n=4。 3 钻孔灌浆回填料的热阻可按下式计算： ? ? ? ln ? ? （C.0.1-4） 式中 ?钻孔注浆回填料的热阻（m K/W） ； ?灌浆材料导热系数W/(m K)； ?钻孔的直径（m） 。 4 地层热阻，即从孔壁到无穷远处的热阻可按下式计算： 对于单个钻孔： ? ? ? ? ? ? ? （C.0.1-5） （C.0.1-6） 对于多个钻孔： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （C.0.1-7） u s s s e ud 2 1 )I( 96 式中 ?地层热阻（mK/W） ； I指
3、数积分公式，可按公式 C.0.1-6 计算； ks岩土体的平均导热系数W/(mK)； a岩土体的热扩散率（m2/s） ； ?钻孔的半径（m） ； 运行时间（s） ； xi第 i 个钻孔与所计算钻孔之间的距离（m） ； N钻孔个数。 5 短期连续脉冲负荷引起的附加热阻可按下式计算： ? ? ? ? ? ? ? （C.0.1-8） 式中 Rsp短期连续脉冲负荷引起的附加热阻（mK/W） ； p短期脉冲负荷连续运行的时间，可取 4-8h。 6 指数积分（式 C.0.1-6）计算不便时，可采用下式近似计算： 01 时， ? ? ? ? ? (C.0.1-10) ? ? ? 8.5733287? 18.
4、059017? 8.637609? 0.2677737 ? ? ? 9.5733223? 25.6329561? 21.0996531? 3.9684969 C.0.2 供暖工况下，竖直地埋管换热器钻孔的总长度可按下式计算： ? ? ? ? ? ? ? （C.0.2-1） ? ? ? ? （C.0.2-4） 式中 Lh供热工况下，竖直地埋管换热器所需钻孔的总长度（m） ； Qh水源热泵机组的额定热负荷（kW） ； COP水源热泵机组的供热性能系数； tmin供热工况下，地埋管换热器中传热介质的设计平均温度（） ； 97 t埋管区域岩土体的初始温度（） ； Fh供热运行份额； Th1一个供热季中
5、水源热泵机组的运行小时数；当运行时间取 1 个月 时，Th1为最冷月份水源热泵机组的运行小时数； Th2一个供热季中的小时数；当运行时间取 1 个月时，Th2为最冷月份 的小时数。 C.0.3 根据设定的单井孔深 L，计算需要的换热孔数： ? ? ceil? ? ? (C.0.3) 式中 ?需要的换热孔数； ceil向上取整函数。 C.0.4 岩土体和回填材料的热物性参数无实测数据时，可按表 C.0.4 估算。 表 C.0.4 几种典型土壤、岩石及回填料的热物性 ks 导热系数 W/（mK） a 扩散率 10 6 m2/s 密度 kg/m3 土壤 致密粘土（含水量 15） 1.41.9 0.4
6、90.71 1925 致密粘土（含水量 5） 1.01.4 0.540.71 1925 轻质粘土（含水量 15） 0.71.0 0.540.64 1285 轻质粘土（含水量 5） 0.50.9 0.65 1285 致密沙土（含水量 15） 2.83.8 0.971.27 1925 致密沙土（含水量 5） 2.12.3 1.101.62 1925 轻质沙土（含水量 15） 1.02.1 0.541.08 1285 轻质沙土（含水量 5） 0.91.9 0.641.39 1285 岩石 花岗岩 2.33.7 0.971.51 2650 石灰石 2.43.8 0.971.51 24002800 沙岩
7、 2.13.5 0.751.27 25702730 湿页岩 1.42.4 0.750.97 干页岩 1.02.1 0.640.86 回填 料 膨润土 （含有 2030的固 体） 0.730.75 含有 20膨润土、80 SiO2沙子的混合物 1.471.64 含有 15膨润土、85 SiO2沙子的混合物 1.001.10 含有 10膨润土、90 SiO2沙子的混合物 2.082.42 98 含有 30混凝土、70 SiO2沙子的混合物 2.082.42 表C.0.4引自 2003 ASHRAE HANDBOOK HVAC Applications 中Geothermal Energy 一章。
8、99 附录附录 D 中深层同轴套管式换热器的设计计算中深层同轴套管式换热器的设计计算 D.1 传热模拟分析传热模拟分析 D.1.1 同轴套管式换热器的传热分析模型可按下式计算： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （D.1.1-1） ? ln? ? ? （D.1.1-2） D.1.2 流动方式为内进外出时内管流体的能量控制方程可按下式： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （D.1.2） D.1.3 流动方式为内进外出时外管流体的能量控制方程可按下式： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （D.1.3） D.1.4 流动方式为外进内出时内管流体的能量控制方程可按下式：
9、? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （D.1.4） D.1.5 流动方式为外进内出时外管流体的能量控制方程可按下式： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （D.1.5） D.1.6 外管流体与套管外表面之间单位长度的热阻可按下式： ? ? ? ? ? ? ln ? ? ? ? ? ln ? ? （D.1.6） D.1.7 内管流体与外管流体之间单位长度的热阻可按下式： ? ? ? ? ? ? ln ? ? ? ? ? （D.1.7-1） ? ? ? ?c ? ? ? ?c? ? ? ?c?（D.1.7-2） ? ? ? ?c ? ? ? ?c? （D.1.7.-3） 式中
10、? 为单位长度的内管中流体以及管壁的热容量，kJ/m.K； ?为单位长度的外管中流体以及管壁的热容量，kJ/m.K； ?为水的体积比热容，kJ/m.K； ? 为内管材料的体积比热容，kJ/m.K； ?为外管材料的体积比热容，kJ/m.K； ? g为回填材料的体积比热容，kJ/m.K。 100 套管换热器的传热分析模型为式（21） ： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （D.1.1） 考虑到柱坐标中在径向中心部分的温度梯度大而边缘部分的梯度小， 在径向 可以采用不均等的差分步长。为此引进新变量， ? ln? ? ?则（D.1.1）为 （D.1.2） ： ? ? ? ?
11、? ? ? ? ? ? （D.1.2） 用数值计算或商用计算软件处理中深层地埋管换热器系统， 因耗时巨大的计 算，妨碍了在工程设计和优化方面的实际应用。宜采用适当的传热分析和设计工 具解决这一复杂的流体和传热问题。 D.2 传热简化分析传热简化分析 D.2.1 根据设定的单井孔深 L，计算有效孔深为： ? ? ? ? (D.2.1) 式中 ?单井有效孔深，m； ?单井孔深，m； ?套管外管保温段或高热阻管段长度，m，当无保温段或高热阻段 时取 20m（地表至恒温层的距离） 。 D.2.2 计算岩土体初始平均温度： ? ? 0.005? (D.2.2) 式中 ?岩土初始平均温度，； ?套管外管保
12、温段或高热阻管段最深度岩土体温度，当无保温 段或高热阻段时取恒温层的温度； ?地温梯度，/100m。 D.2.3 中深层同轴套管式换热器热阻计算宜采用以下方法： 1 循环水与同轴套管式换热器外管内壁的对流热阻可按下式计算： ? ? ?,? (D.2.3-1) 式中 ?循环水与外管内壁的对流换热热阻（mK/W） ； 101 ?,?套管外管内径（m） ； h循环水与外管内壁的对流换热系数W/(m2K)。 h 的计算可认为其换热类型为粗糙圆管壁的换热，利用下式计算： ? ? ? ? ? ? ? ? (D.2.3-2) ? ? ?2lg? ? ? ? 1.74? ? (D.2.3-3) ? ?,? ?
13、,? (D.2.3-4) 式中 ?紊流摩擦系数； ?循环液普朗特数； ?循环液密度，kg/m3； ?循环液定压比热，J/(kg ) ； ?环腔流体流速，m/s。 ?环腔当量直径，m； ?外管内壁平均粗糙度，m； ?,?套管内管外径，m。 2 套管外管管壁热阻可按下式计算： ? ? ? ln ?,? ?,? (D.2.3-5) 式中 ?套管外管的管壁热阻（mK/W） ； ?套管外管的导热系数W/(mK)； ?,?套管外管的外径（m） 。 3 钻孔灌浆回填料的热阻可按下式计算： ? ? ? ln ? ? ?,? （D.2.3-6） 式中 ?钻孔注浆回填料的热阻（m K/W） ； ?灌浆材料导热系数W/(m K)； ?钻孔的直径（m） 。 4 地层热阻，即从孔壁到无穷远处的热阻可按下式计算： ? ? ? ? ? ? ? （D.2.3-7） 102 （D.2.3-8） 式中 ?地层热阻（mK/W） ； I指数积分公式； ks岩土体的平均导热系数W/(mK)； a岩土体的热扩散率（m2/s） ； ?钻孔的半径（m） ； 运行时间（s）
