（制冷及低温工程专业论文）垂直u形管内含油制冷剂流动的数值分析.pdf

m a s t e rd i s s e r t a t i o n l i i il lii l li i11 11 1i lu l y 1718 6 8 7 n u m e r i c a la n a l y s i so fr e f r i g e r a n ta n do i li nv e r t i c a lut u b e a p p l i c a n t ： c ! h e nh u i i a j o r ：b ! i g 呈垒堕q 望鱼碰q 2 星塾i 墨壁坠g i 坠星旦i 望g s u p e r v i s o r ：墨曼q i 垒! 呈卫q ! 垒墨墨q 垒qx i 垒q ! i 卫 s u b m i t t e dt o t h e f a c u l t yo fc e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l v d l m e n tt h er e q u i r e m e n tf o r t h ed e g r e eo fm a s t e r m a y , 2 0 1 0 s c h o o lo fe n e r g ys c i e n c ea n de n g i n e e r i n g c e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y c h a n g s h a ，h u n a n ，p r c h i n a 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名：立垫二整日期：兰：= 2 ：年月l 日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：盥曼 导师签名弛日期：j 兰l 年上月上日 摘要 摘要 直接膨胀式地源热泵是土壤源热泵的一种特殊形式。其把制冷剂 直接通入地下换热器中与周围介质进行换热，减少换热环节，提高能 量利用率。由于该系统管路长、落差大、系统存油的地方多，导致了 系统回油困难。为了克服油的重力作用，让制冷剂蒸气能够夹带润滑 油回到压缩机，地下换热器上升管中的蒸气速度必须达到一定值。设 计地下换热器上升管时，必须保证管中的制冷剂流速大于该速度。 建立了直接膨胀式地源热泵实验台，测量地下u 形埋管内含油 制冷剂温度、压缩机进口压力、膨胀阀出口压力等随时间的变化情况。 供热运行工况时，对地下u 形埋管换热器内含油制冷剂流动状 况进行研究：首先计算含油制冷剂混合物的物理性质，在此基础上建 立数学模型，判断含油制冷剂在管内的流型，根据流型判断润滑油在 u 形埋管内的存在状况，最后根据润滑油的存在情况建立润滑油回油 模型，分析计算上升管道内制冷剂蒸气的最小回油速度。将模拟结果 与实验数据进行分析比较，模拟结果与实验值吻合较好，说明了模型 的可靠性。得出结论：在管径1 2 7 m m ，质量流量为o 0 1 6 6 8 k g s 时， 制冷剂最小回油速度为3 3 4 8 m s 。 当其他参数不变时，改变地下换热器管径大小与制冷剂质量流 量，结果表明：随管径增大，最小回油速度增大，管径在1 0 5 0 m m 范围内，最小回油速度为3 l o m s ，最小回油速度随着质量流量增大 而减小，但变化不大。 本文所做的工作，对直接膨胀式地源热泵的研究、设计与施工具 有一定的理论指导意义。 关键词空调，两相流，直膨式地源热泵，回油速度 中南大学硕上学位论文 a b s t r a ( ? r a b s t r a c t t h ed i r e c t - e x p a n s i o nh e a tp u m p ( d x h p ) i sas p e c i a lk i n do f g r o u n d s o u r c eh e a tp u m pw h i c hu s e s ab u r i e dc o p p e rp i p i n gn e t w o r k t h r o u g hw h i c hr e f r i g e r a n t i s c i r c u l a t e d r e f r i g e r a t i o n h e a tt r a n s f e r d i r e c t l yt ot h es o i lt or e d u c et h eh e a te x c h a n g el o o pa n di m p r o v et h e e n e r g yu t i l i z a t i o n h o w e v e r , t h es y s t e m sl o n gp i p e ，l a r g ef a l la n d l o t so f o i ls t o r e p l a c e sd u et ol u b r i c a n th a r dt or e t u r nt o c o m p r e s s o r u n d e r g r o u n d h e a te x c h a n g e ri st h ec o r et od e s i g nad x h pb e c a u s eo fi t s i m p o r t a n ts t a t u s 。i ti sm o r e d i f f i c u l tt or a i s et h eo i la g a i n s t g r a v i t ys ot h a t t h er e f r i g e r a n tv a p o rm u s th a v eas u f f i c i e n t l yh i g hv e l o c i t yt oe n s u r et h e r e f r i g e r a n tv a p o rv e l o c i t yg r e a t e rt h a nt h em i n i m u mr e f r i g e r a n tv e l o c i t y w h e nd e s i g nu pp i p e i nt h i sp a p e r ，t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ，i m p o r tp r e s s u r eo fc o m p r e s s o r ， p r e s s u r e o fe x p a n s i o nv a l v eo u t l e to fu - t u b ec h a n g e sw i t ht i m ei s e v a l u a t e d t os i m u l a t et h ef l o wo fr e f r i g e r a n ta n do i li nt h eu n d e r g r o u n d u - t u b e ：s e tu pf l o wm a t h e m a t i c a lm o d e lo fr e f r i g e r a n to i lm i x t u r eb a s e d o nt h er e f r i g e r a n to i lm i x t u r ep h y s i c a lp r o p e r t i e s , j u d g et h ee x i s t e n c e w i t h i nt h es t a t eo fo i lb yn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fr e f r i g e r a n tf l o wi n s i d e t h et u b e ，a n d f i n a l l y e s t a b l i s ht h eo i lr e t u r nm o d e lt o a n a l y z et h e r e f r i g e r a n tp i p es t e a mm i n i m u ms p e e d i ts h o w st h a tm a t h e m a t i c a lm o d e l o fr e f r i g e r a n to i lm i x t u r ei sc o r r e c tb yc o m p a r e ds i m u l a t i o nr e s u l t sw i t h t h ee x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n td a t a t h ec o n c l u s i o ns h o w st h a tt h e m i n i m u mr e f r i g e r a n to i lr e t u r nv e l o c i t yi s3 3 4 8m sw h e nd i a m e t e ri s 12 7 m ma n dm a s sf l o wi s0 016 6 8k g s t oc a l c u l a t et h em i n i m u mr e f r i g e r a n tv e l o c i t yb yc h a n g i n gt h e d i a m e t e ro fg r o u n dh e a te x c h a n g e ra n dt h er e f r i g e r a n tm a s sf l o ww h e n t h eo t h e rp a r a m e t e r su n c h a n g e d t h em i n i m u mr e f r i g e r a n tv e lo c i t yi s i n c r e a s ew h e nd i a m e t e ri n c r e a s eb u ta sm a s sf l o wd e c r e a s e s t h e m i n i m u mr e f r i g e r a n to i lr e t u r nv e l o c i t yi s3 - lo m si nd i a m e t e rr a n g eo f lo 一5 0m m t h ec h a n g ew i t hm a s sf l o wi sn o ts i g n i f i c a n t l y t h i sw o r kh a ss o m et h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c eo nt h ed i r e c te x p a n s i o n g r o u n ds o u r c eh e a tp u m pr e s e a r c h 玎 中南人学硕： ：学位论文 k e yw o r d sa i rc o n d i t i o n e r , t w op h a s ef l o w , d i r e c t - e x p a n s i o nh e a t p u m p ( d x h p ) ，o i lr e t u r nv e l o c i t y 1 1 1 中南人学硕士学位论文目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论一l 1 1 课题背景一l 1 2 地源热泵简介一2 1 2 1 常规土壤源热泵系统工作原理3 1 2 2 直膨式地源热泵系统工作原理3 1 2 3 常规土壤源热泵优缺点4 1 2 4 直接膨胀式地源热泵优缺点5 1 3 国内外现状6 1 3 1 国外研究现状6 1 3 2 国内研究现状7 1 4 本课题的研究内容8 第二章实验台简介1o 2 1 地埋管简介1o 2 1 1 地埋管管材选择一1 0 2 1 2 地埋管形式1 1 2 2 制冷剂和润滑油选择1 1 2 3 地下测温点布置1 2 2 4 实验系统简介1 2 2 5 润滑油回油分析1 3 2 5 1 滞留管段分析13 2 5 2 回油措施分析1 4 2 6 实验测试内容15 2 7 实验主要仪器介绍15 2 7 1 无纸记录仪15 2 7 2s 1 t r 铂电阻15 2 7 3 压缩机15 2 7 4j 嘭胀阀16 2 7 5 电磁阀16 2 7 6 油分离器1 6 第三章润滑油及含油制冷剂混合物物性计算17 3 1 润滑油物性模型17 3 2 含油制冷剂混合物物性模型1 9 3 2 1 模型假设1 9 i v 中南人学硕士学位论文目录 3 2 2 物性模型19 3 3 本章小结2 l 第四章含油制冷剂流动数值模拟与分析2 2 4 1 压降模型2 2 4 1 1 摩擦压降模型一2 2 4 1 2 重力压降模型2 5 4 1 3 加速压降模型2 5 4 2 换热系数2 6 4 2 1 管内侧换热系数2 6 4 2 2 管壁与管外侧换热系数2 8 4 2 3 总换热系数2 8 4 3 算法设计2 8 4 4 计算结果与实验结果对比分析3 l 4 4 1 水井初始温度分析3 1 4 4 2 含油制冷剂压力沿管长分布3 l 4 4 3 含油制冷剂温度沿管长分布3 4 4 4 4 含油制冷剂干度沿管长分布3 8 4 4 5 管内侧换热系数沿管长分布图一3 8 4 5 流型判断3 9 4 5 1 流型分类一3 9 4 5 2 流型图一4 2 4 5 3 流型图判断流型一4 3 4 5 4 空泡系数判断流型4 4 4 6 本章小结4 5 第五章最d , n 冷剂回油速度计算4 6 5 1 回油模型4 6 5 2 计算结果分析5 0 5 3 本章小结5 2 第六章结论与展望。5 3 6 1 结论5 3 6 2 展望5 4 参考文献5 5 致 射5 9 攻读硕士学位期间主要研究成果6 0 v 中南人学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论弟一早三石了匕 随着科学技术的高速发展，地球上可再生资源和可利用能源同益缺乏。面对 如此严峻的能源形式，国家总的能源政策是节能、新能源开发和再生能源利用并 重。我国建筑节能“九五计划和2 0 1 0 年规划指出：住宅建筑节能降耗重点是降 低采暖和空调能耗；随着人们生活水平的提高，环保意识日益增强，人们对生活 质量的要求也越来越高，越来越意识到高品质的空气是人类健康的保障，因而寻 求新的低能耗、无污染的空调技术成为了科技发展的方向。为了保证社会的可持 续发展，人们开始把目光转向对可再生资源的利用研究上，如地热能、太阳能、 风能、潮汐能等等。在地热能的研究中，地源热泵这项技术在很大程度上满足人 们对建筑节能的要求。 地源热泵空调系统相比于传统空调方式在技术和经济方面均具有不可替代 的优势，在全球能源危机的背景下，地源热泵空调系统已成为未来空调行业的一 大发展趋势。为促进地源热泵系统的推广和应用，提高其在实际工程项目中施工 和运行的可靠性，有关地源热泵系统的理论和试验研究变得r 益重要。如何合理 设计地源热泵系统以实现良好的制冷、供热等性能，并使其满足经济性要求，逐 渐成为设计和科研工作者的关注焦点。 地下埋管换热器是地源热泵系统的关键组成部分，是系统设计的核心内容。 整个系统的运行效果一方面受热泵机组、末端空调设备等的性能和匹配程度的影 响，另一方面更为重要的是取决于地下换热器跟周围土壤之间进行热交换的能 力，即地下换热器的运行性能。所以其选择的形式是否合理，设计的尺寸是否合 适，关系到整个地源热泵系统是否能满足舒适要求。除此之外，实际工程项目中 还需要考虑的一个重要因素是系统初投资的问题。地下换热器系统的初投资主要 由钻孔成本、管材成本以及回填料成本等部分构成，这些部分的初投资大小很大 程度上均受地下换热器尺寸的影响。 压缩机为空调热泵系统的核心部件之一，其在运行中需要润滑油润滑，否则 压缩机会因为磨损和过热而“烧坏 导致无法正常工作。普通的空调系统由于管 路较短，大部分润滑油随制冷剂能顺利地流回压缩机，因此不用考虑回油问题。 当蒸发器位置低于压缩机时，连结蒸发器和压缩机的吸气管中一般有一段垂直 管，在该垂直管中，润滑油在重力的影响下不易随制冷剂蒸气央带返回压缩机。 直膨式地源热泵由于管路长、落差大、系统存油的地方多，导致了热泵系统回油 困难。随着运行时间的增加，系统中沉积的润滑油越来越多，压缩机会因为缺油 中南人学硕上学位论文第一章绪论 而损坏。因此解决回油难的问题是保证直膨式地源热泵正常运行的重要条件。如 何避免垂直吸气管中润滑油的积聚是解决压缩机回油困难的关键。 在直膨式地源热泵中，为了克服油的重力作用，让制冷剂蒸气能够夹带润滑 油回到压缩机，地下换热器上升管中的蒸气速度必须达到一定值。设计上升管时， 必须保证上升管中的制冷剂流速大于该速度。从工程应用角度，在地下换热器上 升管的设计中，一般是根据经验的方法，由系统的制冷量来判断所设计的吸气管 是否能成功回油。经验方法和实验研究成果虽然发挥了重要作用，但是其应用范 围受限，因而需要一种具有更宽适用范围的理论分析方法，来确定垂直上升管中 的最小回油速度。 1 2 地源热泵简介 地源热泵是一种利用地下浅层地热资源( 土壤) 的既可供热又可制冷的高效 节能空调形式【l 】。地源热泵通过输入少量的高品位能源( 如电能) ，实现低温热能 向高温转移。其利用水与地能( 地下水、土壤或地表水) 进行冷热交换来作为热泵 的冷热源，冬季把地能中的热量“取”出来，供给室内采暖，此时地能为“热源 ； 夏季把室内热量“取”出来，释放到地下水、土壤或地表水中，此时地能为“冷 源 。 地源热泵系统包括三种不同的系统【2 】：以利用土壤作为冷热源的土壤源热 泵，也有资料文献称为地下耦合热泵系统( g r o u n d c o u p l e dh e a tp u m ps y s t e m s ) 或者 叫地下热交换器热泵系统( g r o u n dh e a te x c h a n g e r ) ；以利用地下水为冷热源的地下 水热泵系统( g r o u n dw a t e rh e a tp u m p s ) ；以利用地表水为冷热源的地表水热泵系统 ( s u r f a c e - w a t e rh e a tp u m p s ) 。这样的分类在国内的暖通空调界已经达成了共识。 地源热泵空调系统主要分为三部分【3 】：室外埋管地热换热系统、水源热泵机 组( 由封闭式压缩机、同轴套管式水制冷剂热交换器、热力膨胀阀或毛细管、四 通换向阀、空气侧盘管、风机、空气过虑器、安全控制等组成) 和室内采暖空调 末端系设备。其中地源热泵机组主要有两种形式：水一水式或水一空气式。三个 系统之间靠水或空气等换热介质进行热量的传递，水源热泵与地能之间换热介质 为水，与建筑物采暖空调末端换热介质可以是水或空气。 地源热泵系统的类型多样性使其组成部分不尽相同，但是基本的构件是共同 的，如压缩机、地下盘管、水泵、热交换器等。传统的地源热泵系统采用较多的 是u 形竖埋管换热器，根据埋管深度分为浅层( l o o m ) 三类，地下蓄能系统的埋管较灵活，可布置在草坪、花园、农田下面或 湖泊、水池内，可伟置在土壤、岩石或地下水层内，也可在混凝土桩内埋管。地 源热泵系统从应用的建筑物对象分为家用和商用两大类。 2 中南大学硕上学位论文第一章绪论 1 2 1 常规土壤源热泵系统工作原理 为区别直接膨胀式地源热泵，把现在应用广泛的土壤源热泵称为常规土壤源 热泵，系统原理如图1 1 所示，由图可知，系统包括三个换热循环：换热介质 循环、制冷剂循环和冷冻水循环。 ( 1 ) 换热介质循环通过水泵运行，其通过水泵的动力在地下u 形埋管换热器 和换热器2 之间流动，把土壤中的热量( 或冷量) 通过热交换输送到制冷剂循环中； ( 2 ) 制冷剂循环通过压缩机运行，制冷剂在压缩机的驱使下，在换热器1 和 换热器2 之间流动，把换热器2 得到的热量( 或冷量) 输送到换热器l 中； ( 3 ) 冷冻水循环通过冷冻水泵运行，冷冻水在冷冻水泵的作用下，把换热器 l 得到的热量( 或冷量) 输送到需要的建筑末端设备中。 图1 - 1 常规土壤源热泵系统原理图 1 2 2 直膨式地源热泵系统工作原理 直接膨胀式地源热泵系统中，把金属埋管( 一般为铜管) 直接埋入地下，金属 埋管内循环的不再是常规土壤源热泵系统中的换热介质，而是制冷剂。 3 中南人学硕卜学位论文第一章绪论 直膨式地源热泵系统工作原理如图1 2 所示，由图可知，系统只包含两个换 热循环：制冷剂循环和冷冻水循环。 ( 1 ) 制冷剂循环通过压缩机运行，制冷剂在压缩机的作用下在地下u 形埋管 换热器和换热器中流动，把地下u 形埋管换热器从土壤中得到的冷量( 或热量) 输 送到换热器中； ( 2 ) 冷冻水循环通过冷冻水泵运行，冷冻水在冷冻水泵的驱使下流动，把换 热器得到的冷量( 或热量) 送到建筑末端设备中。 图l - 2 直膨式地源热泵系统原理图 1 2 3 常规土壤源热泵优缺点 地源热泵利用地下土壤吸热和排热，土壤是一种比空气更理想的热泵热( 冷) 源，与空气源热泵相比，地源热泵主要有以下技术优判4 】： ( 1 ) 地源热泵系统运行费用、维修费用低。据世界环境保护组织e p a 估计， 平均来说，设计良好的土壤源热泵系统可以比供热制冷空调系统节约3 0 - - - 4 0 的运行费用【5 】： ( 2 ) 地源热泵系统利用地球表面浅层地热资源作为冷热源进行能量转换，而 地表浅层储存着近似无限的可再生能源供热泵利用，有利于能源结构的调整，有 效缓解能源紧张问题【6 】； 4 中南人学硕士学位论文第一章绪论 ( 3 ) 地埋管换热器在地下吸热与放热，与电供暖相比，相对减少了7 0 以上 的污染物排放量【7 8 】； ( 4 ) 土壤源热泵系统的换热器设在地下，不占用地面用地，节省可利用空间； ( 5 ) 地表温度一年四季相对稳定，波动远比空气小，使得地源热泵系统运行 可靠稳定。且地源热泵系统转动部件相对较少，没有空气源热泵的风扇耗能及产 生的大量噪音： ( 6 ) 一机多用，既可供暖，又可制冷，还可提供热水； ( 7 ) 地埋管换热器不需要除霜，减少了结霜和除霜的能耗损失，节省了空气 源热泵的除霜、融霜所消耗的3 0 0 , 3 0 的能耗1 9 】。 常规土壤源热泵也存在着很多不足： ( 1 ) 地下埋管换热器受土壤性能影响较大，其热特性取决于岩土的类型、岩 土的热湿特性，以及当地的气候条件，而这些因素都随着空间地点的不同而不同； ( 2 ) 国内关于地源热泵系统的资料、技术人员、生产厂家相对较少，不利 于地源热泵系统的推广； ( 3 ) 对设计与安装技术水平要求高。虽然土壤源热泵机组本身具有较高的能 效比和性能系数，但如果空调系统设计和安装不合理，将不能充分体现其优越性， 收不到应有的节能效果； ( 4 ) 世界上热泵技术比较发达的美欧等国家由于气候条件基本上只用于供 热，而我国情况不同，在不同地区气候条件差异很大，其负荷也不同。因此不能 照搬国外的技术，而要开发适合我国国情的技术； ( 5 ) 地源热泵系统的初投入比常规空调系统高。 1 2 4 直接膨胀式地源热泵优缺点 与常规土壤源热泵相比，直接膨胀式地源热泵系统减少了中间换热环节，直 接把制冷剂通入埋在地下的换热管道，使制冷剂与土壤直接进行换热，然后通过 压缩机把换热后的制冷剂送入换热器与冷冻水进行换热。直膨式地源热泵不仅具 有常规土壤源热泵的优点，而且还具有以下优点： ( 1 ) 直膨式地源热泵系统与土壤之间换热主要属于相变换热，在同等条件 下，其换热系数比普通换热介质换热系数大得多； ( 2 ) 直膨式地源热泵系统中的制冷剂直接与土壤进行换热，减少换热环节， 提高能量的利用率，系统效率得到提高，更加节能； ( 3 ) 直膨式地源热泵系统地下埋管换热器中直接充注制冷剂，不存在结冻的 危险，不需要添加防冻剂； ( 4 ) 直膨式地源热泵减少了中间换热管路，管材耗量减少，地下施工量也相 5 中南大学硕十学位论文第一章绪论 对减少，经济性优于传统的土壤源热泵； ( 5 ) 该系统采用一体化施工，类似分体空调机组( 而传统土壤源热泵存在水 环路，类似中央空调系统) ，从安装角度，更加容易进入家庭。 但从目前国外对直膨式地源热泵的研究以及实际使用情况来看，系统不仅存 在常规土壤源热泵存在的问题，而且自身也存在需要解决的问题，主要有： ( 1 ) 地埋管换热器的换热性能受土壤性质影响较大，长期连续运行，热泵的 冷凝温度或蒸发温度受土壤变化的影响而发生波动； ( 2 ) 土壤的热导率小而使埋管换热器的持续吸热率仅为2 0 - - 4 0 w m ，一般吸 热率在2 5 w m 左右1 1 0 - 1 3 1 ，在换热量较大情况下，占地面积较大； ( 3 ) 长时间连续运行时，较难确定可能出现的泄漏点，检修困难； ( 4 ) 空气源热泵具有在销售前进行检验的优点，而土壤源热泵仅在安装后方 能进行彻底的实验，它的评价方法也远远不够准确1 1 4 j ； ( 5 ) 系统在冬季运行时，制冷剂与土壤进行换热的同时，由液态变为气态， 而被制冷剂带入地埋管换热器中的润滑油则停留在地埋管底部，当制冷剂蒸气流 速较小时，润滑油不能被带回压缩机中，滞留在地埋管底部，随着系统运行，造 成压缩机缺油甚至损坏压缩机。 1 3 国内外现状 1 3 1 国外研究现状 土壤源热泵在国外起步较早，大致可以分为三个阶段【l 孓r 7 】： 第一阶段，1 9 1 2 年瑞士人佐伊s u ( h z o e n y ) 提出了利用土壤源热泵的设想。 这个时期的研究主要是对土壤热泵进行一系列基础性的实验研究，包括土壤源热 泵运行的实验研究，埋管换热器的实验研究，同时对土壤的热流理论方面作过研 究。但是，由于土壤源热泵的初投资很高，而当时的能源资源很廉价，所以这一 阶段的研究高潮持续到2 0 世纪5 0 年代中期便基本停止了。 第二阶段，1 9 7 3 年在欧美等国开始的“能源危机”促使人们重新对土壤源 热泵进行研究。这一阶段的主要工作是对埋管换热过程进行研究，建立相应的数 学模型并进行数值仿真。早期的地源热泵研究主要集中在：土壤的传热性质、地 热换热器形式、埋管埋填形式等。可以说，土壤源热泵的绝大部分研究工作均是 在这一阶段完成的。 第三阶段，进入2 0 世纪9 0 年代，在理论研究上，土壤源热泵研究热点依然 集中在埋地换热器的换热机理，强化换热及热泵系统与埋地换热器匹配和安装布 置技术等方面。与前一阶段研究简单的传热模型所不同的是，研究者更多地关注 6 中南人学硕士学位论文第一章绪论 地埋管与回填材料之间相互耦合的传热、传质，以便更好地模拟埋地换热器的真 实换热状况，指导实际应用；同时开始研究采用热物性更好的回填材料，以强化 埋管在土壤中的传热过程，从而降低系统用于安装埋管的初投资。为进一步优化 系统，学者们开始研究有关埋地换热器与热泵装置的最佳匹配参数。热泵技术的 研究进入了一个新的发展阶段。 近年来，对直接膨胀式地源热泵研究已成为部分欧美国家的研究热点。目前 在北美、澳大利亚、日本、瑞典、德国、奥地利和瑞士等国家，直接膨胀式地源 热泵已得到应用，在北美也已经有相关的产品出现。国外对直接膨胀式地源热泵 的研究主要集中在：i n g e r s o l l 等 1 8 】采用线热源模型用于埋地盘管的设计，f r e u n d 等【i9 】研究了直接膨胀式系统埋地盘管对土壤的热影响半径，还提出了夏季运行 时直接膨胀式系统需要充注较多的制冷剂，否则压缩机不能正常运行的观点。 c o o g a n 2 0 提出了土壤冻结释放的潜热占埋地盘管的总吸热量的比例相对较小， 而土壤冻结后导热系数增大使埋地盘管的吸热能力提高较大，地埋管管径较小时 要优于管径较大时，埋管管径的优化值在1 2 7 - - 1 9 1 c m 之间的观点。g a l i y a n o 2 1 】 在其专利中提出用将埋地铜管作为阴极的牺牲阳极法防止地下铜管的腐蚀， h a l o z a l l 【2 2 】提出采用毛细管或者基于过冷度调节的膨胀阀解决系统的振荡和不稳 定问题，s a f 锄z a l l d a r a n id 【2 3 】在压缩机排气口安装了高效率的油分离器解决回油问 题，另一种办法是使用管径较小的埋地铜管，确保制冷剂有足够大的流速，以实 现顺利回油。 1 3 2 国内研究现状 我国对于土壤源热泵系统的研究与应用起步较晚，我国热泵的研究开始于2 0 世纪5 0 年代，天津大学热能研究所开展了我国热泵的最早研究。1 9 5 6 年吕灿仁教 授的“热泵及其在我国应用的前途一文是我国热泵研究现存的最早文献，至u 2 0 0 0 年左右，在各种因素的共同作用下，成为一个非常“热门”的研究课题，虽然这 样的热门是处在一个整体水平相对低的大环境之中。 山东青岛建筑工程学院于立强等1 2 4 之5 】于1 9 8 9 年在国内建立了第一台土壤源 热泵系统的实验台，开始主要从事水平埋管的研究工作，后又完成了垂直埋管换 热器的研究工作。 湖南大学魏先勋等【2 6 。2 7 1 从1 9 9 8 年开始也建起了水平埋管地源热泵实验装置， 对地源热泵技术进行了实验研究。 重庆建筑大学的刘宪英等2 8 。3 3 1 人从1 9 9 9 年开始建成了包括浅埋竖管换热器 和水平埋管换热器在内的实验，主要进行了l o 米深的套管式竖直浅埋管传热的实 验室研究。 7 中南人学硕上学位论文第一章绪论 同济大学张旭博士等【3 4 0 5 1 ，对我国华北地区的代表性土壤及不同比例的沙、 土混合物，在不同的含水率、不同密度条件下的导热性进行了大量实验，并对上 海地区土壤源热泵夏( 冬) 季的启动工况作了研究。 天津大学赵军、李新国、朱强等【3 6 3 7 】从2 0 0 0 开始研究埋地换热器的换热性能、 系统经济性等，做了大量工作，并于2 0 0 2 年建立起实际工程与科学研究融为一体 的大型地源热泵系统，研究了天津土壤条件下埋地换热器( 桩埋管、井埋管) 的换 热性能及系统运行特性。 哈尔滨工业大学在马最良、姚杨教授【3 8 】的带领下从2 0 0 3 年将土壤源热泵系 统和蓄冷技术有机的结合在一起，提出了一种适合于以空调负荷为主，采暖负荷 为辅地区的全新的空调系统形式：即土壤蓄冷与上壤源热泵集成系统。 此外，清华大学和中科院广州能源研究所等高校和科研单位也对土壤源热泵 进行过研究，并取得了一定的成果。 但是目前国内关于直接膨胀式地源热泵的研究和应用较少，多为理论简介。 综上所述，到目前为止，国内外学者对地源热泵地下换热器的研究主要集中 在换热器理论模型的研究，并基于不同的理论模型，研发出了很多地源热泵方面 的设计模拟软件，这些软件已成为地源热泵地下换热器的设计、模拟及运行分析 的有力工具，其功能主要侧重于地下换热器传热与设计计算、能量分析和系统运 行模拟等。有少数部分学者对直接膨胀式地源热泵系统进行了理论性的研究，但 对于系统回油问题的研究并不多见，对于制冷剂蒸气的回油速度研究也非常少， 而回油问题是直接膨胀式地源热泵存在的一个很重要的技术问题，所以研究直膨 式地源热泵制冷剂蒸气的最小回油速度具有很重要的指导意义。 1 4 本课题的研究内容 在直膨式地源热泵供热运行下，即地下u 形埋管换热器做蒸发器用时，对 地下u 形埋管换热器内部含油制冷剂流动状况进行研究，建立含油制冷剂混合 物物性模型，通过数值模拟得到含油制冷剂在管内的流型，根据流型判断润滑油 在u 形埋管内的存在状况，分析计算地下换热器上升管内制冷剂蒸气的最小速 度，确保能将管道内的润滑油带出。 ( 一) 理论研究： ( 1 ) 计算含油制冷剂混合物的物理性质：根据已有的经验公式，计算出润滑 油及含油制冷剂混合物的物理性质，如压力、密度、动力粘度等。给之后的回油 计算提供基础。 ( 2 ) 垂直u 形管内流动状况模拟：利用e e s 软件，编制地下u 形埋管分布 参数模型仿真程序，代入含油制冷剂混合物的物理性质，得到含油制冷剂混合物 中南人学硕上学位论文第一章绪论 的压力、截面含气率等沿管长的分布情况。 ( 3 ) 判断流型：根据模拟结果，由流型图等判断地下u 形管内含油制冷剂 混合物流型沿管段的分布情况。 ( 4 ) 建立回油模型：根据含油制冷剂混合物的流型，判断润滑油在地下u 形埋管内可能的存在状况，根据其存在状况，建立润滑油回油模型，利用数值方 法计算制冷剂蒸气的最小回油速度，判断润滑油能否成功回到压缩机。 ( 二) 实验验证： ( 1 ) 通过直接膨胀式地源热泵实验台，测定地下u 形埋管内含油制冷剂温 度、压缩机进口压力、膨胀阀出口压力等随时间的变化情况。 ( 2 ) 将模拟结果与实验数据进行分析比较，判断含油制冷剂物性模型及回油 模型的准确程度，分析误差原因，在尽可能减小误差后，得出结论。 9 中南人学硕士学位论文第二章实验台简介 2 1 地埋管简介 第二章实验台简介 国外对直接膨胀式土壤源热泵系统研究较多，且应用到了工程实践中。但是 目前国内关于直接膨胀式土壤源热泵的研究和应用较少，多为理论简介。鉴于此， 本次实验主要目的之一是搭建直接膨胀式土壤源热泵实验台，进行该直膨式地源 热泵系统前期研究，为后面进一步研究打下坚实基础。 2 1 1 地埋管管材选择 地埋管管材的选择，对初投资费用、维护费用、热泵性能等有重要的影响； 土壤源热泵的换热器一旦埋入地下的，其维护是不可能的，因此埋入地下的材料 首先要保证化学性质稳定。6 0 年代以前，地下埋管多用金属管，虽然它的传热性 能好，但耐腐蚀性差，使用1 0 - - - 2 0 年就已腐蚀坏，严重降低了地源热泵的使用寿 命，因此也阻碍了地源热泵的发展。地下埋管系统换热器需要埋入地下的管道的 数量较多，多半优先考虑使用价格较低的管材。在现行土壤源热泵埋管材料，常 见主要包括钢管、塑料管两种。与金属管相比，塑料管具有耐腐蚀，易加工，传 热性能可满足换热要求，价格便宜等优点。聚乙烯( p e ) 和聚丁烯( p b ) 管柔韧性好， 强度高，而且可以通过热熔合形成比管子自身强度更好的连接接头，可以在额定 温度和压力工况下保证使用5 0 年以上，因此在国外地源热泵系统中得到了广泛应 用【3 9 1 。为了强化地下埋管的换热，国外有的提出采用薄壁的不锈钢钢管，但目 前实际应用不多。 本实验台是制冷剂直接在地下埋管内蒸发或冷凝，与普通土壤源热泵埋管管 材选择不同，管材的选择必须从以下三方面来考虑： ( 1 ) 管材的承压能力：常规制冷剂( 女u r 2 2 、r 1 3 4 a ) 在一般制冷和供热情况 下，其对应的冷凝压力大于1 0 m p a 。 ( 2 ) 供热模式下，管内蒸气流速大小：为保证系统冬季能够回油，要保证蒸 气要具有一定的回油流速，因而埋管要选小管径。 ( 3 ) 管材在土壤中的耐腐蚀性：埋管材料要具有稳定的化学性质，通常换热 能力较高的钢管在这方面存在着严重的不足。对铜管来说，在酸性较强的条件下， 易于受到腐蚀，但在p h 值在5 5 l o 的土壤内，很难受到腐蚀。 综上所述，本次实验采用传热性能良好、承压能力高、管径小的铜管作为埋 地换热管材；外径为1 2 7 m m ，管壁厚为l m m 。 l o 中南人学硕上学位论文 第二章实验台简介 2 1 2 地埋管形式 目前，国内外土壤源热泵系统中地埋管换热器的布置形式非常多，但主要形 式有水平式和竖直式两种。选择方式主要取决于场地大小、当地土壤类型以及挖 掘成本等，如果场地足够大且无坚硬岩石，则水平式较经济；如果场地面积有限 时则采用垂直式布置，很多场合下这是唯一的选择。实际工程中往往在现场勘测 结果的基础上，考虑现场可用地表面积、当地土壤类型以及钻孔费用，确定热交 换器采用垂直竖井布置还是水平布置方式。尽管水平布置通常是浅层埋管，可采 用人工挖掘，初投资一般会便宜些，但它的换热性能比竖埋管小很多，并且往往 受可利用土地面积的限制，故一般采用垂直埋管布置方式。对于直膨式地源热泵 系统，工程上也采用倾斜式【删。 根据埋管形式的不同，一般有单u 形管，双u 形管，套管式管，小直径螺旋 盘管和大直径螺旋盘管，立式柱状管、蜘蛛状管等形式；目前使用最多的是单u 形管( s i n g l e u - p i p e ) ，双u 形管( d o u b l e u p i p e ) ，简单套管式管( s i m p l ec o a x i a l p i p e ) 。 针对系统可能存在回流和回油问题，本次把地下换热器放到水井中，以后可 以灵活调整地下换热器埋管深度，从而找出系统回流和回油问题随地埋管深度变 化规律，地下埋管根据实际情况采用垂直单u 管形式。 2 2 制冷剂和润滑油选择 土壤源热泵系统有两种换热形式：常规土壤源热泵系统是通过流体介质与土 壤问换热，吸取土壤中的热量或者释放热量到土壤中。直接膨胀式地源热泵是将 制冷剂排管直接埋到地下，制冷剂直接与土壤进行热交换。 本实验台为直接膨胀式地源热泵，管内制冷剂原则上可以选择常见制冷剂。 但是考虑不同制冷剂性质、价格之间的差别以及对环境影响等方面因素。本次实 验采用r 2 2 作为系统换热介质。 润滑油在制冷系统中被称为冷冻机油，又称为制冷润滑油。它主要应用于压 缩机中，在摩擦表面形成一层油膜，以减少摩擦表面的磨损，并及时带走由于摩 擦所生成的热量。润滑油还在活塞与气缸及轴承等摩擦面间起到密封作用，减少 制冷工质泄漏，提高压缩机的输气系数。在压缩机运行中不断带走金属磨屑，保 持接触面的光洁度。随着制冷系统的循环运行，一部分润滑油不可避免地进入到 其它部件中，并与制冷剂一起参与整个循环过程。所以润滑油的合理选择至关重 要，将直接影响系统的运行性能。本次实验润滑油采用专