便携式地源热泵岩土热物性原位测试仪.docx
- 文档编号:4871964
- 上传时间:2022-12-11
- 格式:DOCX
- 页数:10
- 大小:149.02KB
便携式地源热泵岩土热物性原位测试仪.docx
《便携式地源热泵岩土热物性原位测试仪.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《便携式地源热泵岩土热物性原位测试仪.docx(10页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
便携式地源热泵岩土热物性原位测试仪
便携式地源热泵岩土热物性原位测试仪
一、研究背景
在对地源热泵系统进行地下热交换器或地下储能桩设计时,地下热交换系统规模设计太小,将不能满足地表空调负荷的需要;地下系统规模设计太大,又将造成初投资增大,其影响的主要因素是地层岩土热物性参数。
地层岩土的热物性参数主要包括地层的导热系数和钻孔的热阻,这两个参数是地下热交换管长度设计的主要依据。
研究显示:
如地下岩土的导热系数发生10%的误差,则设计的地下埋管长度的偏差将是4.5%~5.8%。
对于地层热物性的确定,IGSHP(国际地源热泵协会)推荐两种方法:
一种是对于水平埋管热泵系统,根据现场钻孔取出的岩样在实验室直接测定,或查有关手册确定导热系数;另一种是对于大型的垂直埋管热泵系统,需进行现场地层热物性原位测试,即钻孔热反应现场测试。
前者,取出岩样的水份、温度和压力等测试环境与地下发生较大的变化,测得的数据与实际数值相差较大;后者,采用现场原位测试,可以直接得到较准的钻孔的地层平均导热系数和钻孔的热阻,尽管钻孔过程中产生的热量,需要几天后才能测得非扰动的热物性参数,后者一般都需连续测量数十小时,相对来说成本也高。
但是,地层热物性现场原位测试对于正确合理经济地设计地源热泵系统是一种行之有效的方法,对于较大的地源热泵系统工程显得尤为必要。
二、测试原理及设备
(一)测试原理
图1便携式地源热泵岩土热物性原位测试仪原理图
便携式地源热泵岩土热物性原位测试仪原理图如图1所示。
在将要埋设地下埋管换热器的现场钻孔,钻孔结束后按照设计要求下管,并按照设计的回填方法回填钻孔。
测试前,将便携式地源热泵岩土热物性原位测试仪与U型埋管连接起来,形成一个闭合的环路,然后向环路中注入水,直到闭合管路处于满管状态。
测试时,利用循环水泵驱动闭合管路中的流体,使用电加热器对电加热水箱中得水加热,通过电子流量计和温度传感器测量闭合回路中水的流量和温度,并通过PID控制器控制电加热器的加热功率,确保其加热功率保持恒定。
利用数据采集仪在一定时间内连续采集加热功率、进出口温度值、流量值作为测量数据,并采用线热源模型Ingersoll方法对测试数据进行分析,求出岩土的平均传热系数和钻孔的热阻。
(二)测试设备系统
测试设备系统主要包括循环系统、加热系统、测量系统和辅助设备。
循环系统的主要功能是实现水在地下埋管换热器与测量仪中的循环流动,以及循环水流量的调节;加热系统主要用于加热循环水,使循环水在地层中散失的热量得到补充,通过调节加热器的功率,以维持地下放热率的恒定;测量系统的主要功能是测量地埋管进回水的水温度值以及循环水的流量,其功能是靠2个温度传感器和1个电子流量计来实现,2个温度传感器分别设置在测试仪进水和出水的管道上,流量计安装在测量仪进水管路上;辅助设备包括测量仪用电、设备供电、加热功率调节、辅助测温装置等。
1.循环水泵
循环水泵为循环管路中得介质的流动提供驱动力,确保介质在管路中能够正常循环流动。
为了满足不同测试工况所需要的循环流量不同的要求,可选择中国太平洋泵业集团有限公司生产的25GDL2-12×3立式多级离心泵,该泵的流量范围为1.4~2.4m3/h,扬程为33~38m,功率为1.1kW,能够满足绝大多数工况测试的要求。
2.电加热器
电加热器作为测试仪的热源,为整个循环系统提供稳定的热源,模拟实际运行工况下的负荷。
根据《浅层地热能勘察评价规范》所规定:
现场热响应实验时应进行两次不能负荷的测试实验,当钻孔深度在80~100m时,大负荷宜采用6~10kW,小负荷宜采用3~5kW。
因此要求加热器的加热功率在上述可调区间内。
本测试仪所选加热器可采用组合加热器的形式,采用功率分别为3kW、4kW、5kW三组电加热器组合而成,三组加热器中每组都可以独自运行,也可以自由组合,以满足各种测试工况下不同加热输入功率的恒热流实验的要求。
3.温度传感器
温度传感器可采用一体式Pt100铂热电阻采集进、出口温度值,其测量范围为-20~60℃,该传感器需使,用24V电源供电,输出4~20mA电流信号,精度为A级。
4.电子流量计
测试仪选用的电子流量计可采用上海一诺仪表有限公司生产的LTD-通用电子流量计,该电子流量计具有高准确度、宽量程比、现场指示、远距离传输、抗干扰能力强等特点,可测量电导率较低的流体介质的流量。
所选流量计的量程为0~3m3,需使用220v电源供电,输出4一20mA电流信号,精度为士0.2%。
5.压力变送器
测试仪采用HSLT系列带数字显示压力变送器来采集循环管路的压力数值,该变送器选用优质进口元器件,具有反向极性保护,并采用旁路电容滤波和屏蔽措施,使变送器肯有防电磁射频干扰功能。
变送器具有现场LED压力显示功能,可在数据存储系统出错时人工记录压力数据,保证测试正常进行。
根据实际测试的需求压力变送器的量程设为0~0.6MPa。
该传感器需使用24v电源供电,输出4~20mA电流信号,精度为士0.2%,过载能力为120%。
6.有功功率传感器
测试仪采用绵阳市维博电子有限责任公司生产的三相三线制有功功率传感器,该传感器采用特制隔离模块、高速数据同步采集和数据快速处理技术,隔离测量三相三线电路的有功功率,具有高精度、高隔离、低功耗、低漂移、温度范围宽、抗干扰能力强等特点。
所选功率传感器的量程为0~380V,0~5A,输出4~20mA电流信号。
7.数据采集模块
测试仪采用北京合世兴业科技发展有限公司生产的BP-7017型8路模拟量输入模块,该模块可采集标准电压、电流、热电阻、热电偶、热敏电阻应变片等信号,并提供高过压保护和传感器断线检测。
所选模块使用24V电源供电,
采集精度为士0.5%。
8.嵌入式一体化触摸屏电脑
测试仪采用昆仑通态高性能嵌入式一体化LED触摸屏作为显示系统和控制系统的输入端,该触摸屏可显示并储存由数据采集模块采集到的温度、压力、流量及功率等信号,所储存的数据可通过USB接口导出。
所选触摸屏需使用220V电源供电,可在0~45℃的环境中工作。
同时,该触摸屏也是数据控制系统的输
入端,是人机交互界面的载体。
三、测试仪的设计
便携式地源热泵岩土热物性原位测试仪可设计为分体式箱柜结构,它主要由箱体下部的闭合管路循环系统、箱体上部数据柜中的数据采集系统和控制系统以及装于手提箱中的触摸屏式一体电脑组成,触摸屏式一体电脑通过数据线与控制柜相连,控制柜通过控制电加热器的加热功率达到恒热流输出的目的。
触摸屏式一体电脑既作为数据采集系统中的数据储存器,又作为数据控制系统的输入端,是整套数据采集系统和控制系统的核心部分。
测试仪的数据采集系统主要是由数据采集部分和数据储存部分组成。
数据采集部分主要是由温度传感器、压力传感器、电磁流量计及有功功率传感器等组成;数据的存储部分主要是由数据采集模块及触摸屏一体电脑组成。
测试开始后,数据采集模块将传感器采集的数据进行A/D转换,即把采集来的电流信号等模拟信号转换为数字信号,通过数据接口储存至一体化触摸屏电脑中。
测试仪的控制系统主要是对整个测试系统和各重要仪器的启动、急停及显示其工作状态的控制、测试电加热器功率的控制和对报警方式的控制。
对整个测试系统和各重要仪器的启动、急停及显示其工作状态的控制开关和显示灯设置在箱体上部的面板上,能够方便有效地进行实时监看。
测试仪的报警控制的方式应该设置为联动方式,如:
当流量计的流量小于设定数值下限时,系统应该能自动报警,当长时间无人处理时,系统能自动断开水泵电源,确保整个测试系统的安全。
对电加热功率的控制主要是通过PID控制器、功率调整器和电加热器实现的。
首先PID控制器接收温度传感器传来的温度(温差)数据,判断系统的误差,利用比例、积分、微分计算出控制量对功率调整器进行控制,改变功率调整器输出的作用在加热器两端的电压,从而达到控制输出稳定的目的。
电加热器功率的控制主要有温差控制和温度控制两种方式。
温差控制主要控制进出口温差保持恒定;而温度控制主要通过控制出口温度保持恒定。
测试仪的人机交互界面应该包括数据观察界面、参数设置界面、历史曲线回看界面、历史数据回看界面、流体相关系数查询界面、数据拷贝及报警参数设定界面。
其中数据观察界面可显示温度、流量、压力和功率数据的实时数值;参数设置界面可对各组参数量程的上、下限、零点修正值、满度修正值及电加热器功率控制方式进行设定。
历史数据回看界面和历史曲线回看界面可查询测试试验的数据和相应的变化趋势。
四、传热模型计算法
(一)换热量的计算
运用基于线热源模型的数据拟合计算方法首先应计算钻孔的换热量。
钻孔的换热量可以通过系统的流量、进出口温度来确定。
换热量计算公式为:
式中:
Q为钻孔的换热量(kW);
为质量流量(Kg/s);
为水的定压比热容KJ/(Kg.K);
为水的出口温度(K);
为水的进口温度(K)。
单位孔深换热量的计算公式为
式中:
为单位孔深换热量(kW/m);
L为孔深(m)。
(二)线热源模型
测试仪使用线热源模型进行数据的拟合处理,通过对采集到的加热功率、进出口温度、流量、压力等数据进行拟合处理,从而求出岩土的平均传热系数和钻孔的热阻。
1948年,Ingersoll与Plass在1861年开尔文(Kelvin)线源理论的基础上提出了线热源模型,该模型将土壤埋地换热盘管在土壤中的传热看作为土壤中有一恒定线热源,导体初始温度均匀为t0的无限长圆柱体的一维非稳态导热问题,地下埋管换热器的结构图如图2所示。
图2地下埋管换热器的结构图
对于线源模型我们常做以下假设:
(1)假设钻孔周围岩土体的热物性均匀且恒定;
(2)忽略钻孔的几何尺寸和沿深度方向的传热;
(3)埋管换热器与周围岩土之间的换热强度维持不变。
由埋管换热器的结构可知,埋管换热器与周围岩土之间的传热为一维轴对称问题,并根据上述假设确定线源模型的控制方程及边界条件如下:
当加热时间超过10h,满足线源模型的应用范围时,上述方程的解可简化为如下温度解析式:
(1)
式中:
T(r,t),T0分别为t时刻半径r处的土壤温度及土壤远边界初始温度,℃;
ql为单位孔深埋管热流,W/m;
a为土壤的热扩散率,m2/h;
λs为周围岩土的导热系数,W/(m·℃);
Ei为指数积分函数,
当at/r2≥5时,可表示为:
(2)
式中:
为欧拉常数,
。
则式
(1)可简化为:
(3)
(三)数据拟合法
为了得到埋管流体平均温度与时间的关系,令
根据式(3)便可计算出孔壁温度,再假设埋管内流体与钻孔壁间单位深度钻孔总热阻为R0,则由埋管流体与钻孔壁间的传热关系可进一步计算出埋管内流体平均温度为:
(4)
由于单位孔深埋管热流q恒定,对于特定的钻孔埋管,其余均为定值,则式(4)等号右侧只有
一个变量,于是可将式(4)简化为一个二元一次线性方程:
(5)
其中:
;
;
。
式中:
,
为测试仪进出口温度测量值(℃);
为钻孔半径(m)。
通过实验测试所获得的输入功率(等于埋管热流Q)及不同时刻埋管流体平均温度
值,在温度-时间对数坐标轴上拟合出式(5),从而得出m和b的值,据此便可以根据m和b的表达式计算出周围岩土的导热系数λs的值。
五、箱体模型
便携式地源热泵岩土热物性原位测试仪使用分体式箱柜设计模型,采用一长为1m,宽为0.7m,高为1.3m的长方体箱体,将是主要的测试部件和设备均设置在箱体内。
箱体分为上下两部分,下部分的高为0.8m,上部分的高为0.5m。
下部分为测试水系统设备安装空间,上部分为数据采集器、有功功率传感器等电子设备及显示仪表、指示灯、控制开关的安装空间。
嵌入式一体化触摸屏电脑设置在手提式箱体内,使用时再与测试箱体连接。
为减小箱体的体积,避免补水箱漏水、洒水对设备造成损伤,同时考虑到测试前对管路充水的使用的方便性的需要,将补水箱单独设置,使用专业支架支撑,不但起到补水的作用,还能起到定压的作用,在使用时连入箱体。
详细设计见图3、图4、图5、图6、图7、图8。
箱体的正面,左侧和后面均设置了相应的接口,没有外观设计的侧面均为封闭的箱体表面。
在实际设计时,应充分考虑各个部件能够有效地利用空间,可根据实际情况适当调整。
图3箱体上部分布置正面图
图4箱体下部分布置正面图
图5箱体下部分布置左视图
图6箱体上部分布置后视图
图7箱体下部分布置后视图
图7箱体下部分布置平面图
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 便携式 源热泵 岩土 物性 原位 测试仪