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不同材質(zhì)傳熱風(fēng)道性能及蓄熱土壤溫度場(chǎng)CFD模擬_鮑恩財(cái).pdf

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不同材質(zhì)傳熱風(fēng)道性能及蓄熱土壤溫度場(chǎng)CFD模擬_鮑恩財(cái).pdf

第 34 卷 第 4 期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報(bào) Vol.34 No.4 232 2018 年 2月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Feb. 2018 不同材質(zhì)傳熱風(fēng)道性能及蓄熱土壤溫度場(chǎng) CFD 模擬鮑恩財(cái)1,張 勇1,曹晏飛1,王 昭2,張 欣3, 曹 凱1,楊俊偉1,鄒志榮1( 1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院,農(nóng)業(yè)部西北設(shè)施園藝工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,楊凌 712100; 2. 北京三潤(rùn)泰克國際農(nóng)業(yè)技術(shù)有限公司,北京 114011; 3. 華盛頓州立大學(xué)生物系統(tǒng)工程系,精細(xì)與自動(dòng)化農(nóng)業(yè)系統(tǒng)研究中心,普羅瑟 WA 99350) 摘 要: 風(fēng)道在園藝設(shè)施中應(yīng)用較為廣泛,通常作為土壤及墻體熱量傳遞的載體。該文搭建了風(fēng)道傳熱試驗(yàn)臺(tái),以聚氯乙烯管道 ( polyvinyl chloride pipe, PVC) 、 鍍鋅鐵皮管道 ( galvanized iron pipe, GI) 及鋼筋網(wǎng)外纏繞土工布管道 ( steel mesh skeleton-geotextile composite pipe, SFG) 3 種管材作為傳熱風(fēng)道,以土壤為蓄熱體進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)( computational fluid dynamics, CFD)對(duì)蓄熱土壤溫度場(chǎng)進(jìn)行分析。結(jié)果表明, SFG 的傳熱效果最好,測(cè)試期間的換熱量達(dá)到 299.44 kJ, 約是 GI 的 4 倍、 PVC 的 3 倍; SFG 進(jìn)、 出口上、 下、 左、 右 4 個(gè)方向的有效蓄熱范圍均遠(yuǎn)大于 240 mm,PVC 與 GI 的有效蓄熱范圍相似;通過 CFD 所建立的 3 個(gè)傳熱風(fēng)道計(jì)算模型的最大相對(duì)誤差為 4.4%,模擬發(fā)現(xiàn)蓄熱土壤截面溫度從進(jìn)風(fēng)口到出風(fēng)口具有一定的“坡降” 。因此, SFG 的傳熱效果明顯優(yōu)于 PVC 與 GI,具有較高的應(yīng)用潛力和一定的推廣價(jià)值。 關(guān)鍵詞: 土壤;流體力學(xué);傳熱;傳熱風(fēng)道;傳熱性能;蓄熱范圍; CFD doi: 10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.028 中圖分類號(hào): S625.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A 文章編號(hào): 1002-6819(2018)-04-0232-07 鮑恩財(cái),張 勇,曹晏飛,王 昭,張 欣,曹 凱,楊俊偉,鄒志榮. 不同材質(zhì)傳熱風(fēng)道性能及蓄熱土壤溫度場(chǎng) CFD模擬J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2018,34(4):232238. doi: 10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.028 http:/www.tcsae.org Bao Encai, Zhang Yong, Cao Yanfei, Wang Zhao, Zhang Xin, Cao Kai, Yang Junwei, Zou Zhirong. Performance of different material heat transfer pipes and CFD simulation of thermal storage soil temperature distributionJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(4): 232 238. (in Chinese with English abstract) doi: 10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.028 http:/www.tcsae.org 0 引 言設(shè)施園藝是利用特定的保護(hù)設(shè)施與配套設(shè)備,人為地創(chuàng)造適于作物生育的環(huán)境空間,有計(jì)劃地進(jìn)行園藝產(chǎn)品的安全、優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)生產(chǎn)的一種綜合農(nóng)業(yè)技術(shù)體系,其中的設(shè)施主要包括中小拱棚、塑料大棚、連棟溫室、日光溫室 4 大類1-2。為了維持園藝設(shè)施在冬季正常使用而又不耗費(fèi)大量能源,國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究,主要方式有主動(dòng)采光3、相變材料蓄熱4-5、太陽能集熱6-7、 空氣源熱泵8-9、 地源熱泵10-11、 水循環(huán)集放熱12、后墻主動(dòng)蓄熱13、地下熱交換14-15等。 傳熱風(fēng)道在園藝設(shè)施的土壤及墻體中均有應(yīng)用。上世紀(jì) 80 年代,馬承偉16-17在塑料大棚上應(yīng)用地下熱交換系統(tǒng),研究發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)可有效地貯存太陽能并用于夜間加溫,能使塑料大棚在不用燃料加溫的情況下在夜間維收稿日期: 2017-09-25 修訂日期: 2018-01-11 基金項(xiàng)目:國家“ 863”計(jì)劃項(xiàng)目( 2013AA102407) ;中國博士后基金項(xiàng)目特別資助( 2015T81053) ;博士后科學(xué)基金( 2014M562458) ;主動(dòng)采光蓄熱溫室、超大跨度塑料大棚結(jié)構(gòu)優(yōu)化與智能化環(huán)境調(diào)控裝備研制( 2016BZ0901) ; 設(shè)施農(nóng)業(yè)采光蓄熱技術(shù)提升研究與示范 ( 2016KTCL02-02) 作者簡(jiǎn)介:鮑恩財(cái),男,安徽合肥人,博士生,主要從事設(shè)施園藝工程方面的研究。 Email: baoencai1990163.com 通信作者:鄒志榮,男,陜西延安人,教授,博士,博士生導(dǎo)師,主要從事設(shè)施園藝方面的研究。 Email:zouzhirong2005163.com 持 10 左右的棚內(nèi)外氣溫差。孫忠富18研究了地 氣熱交換系統(tǒng)的熱性能,結(jié)果表明,地 氣熱交換系統(tǒng)可使塑料大棚在夜間升溫 2.0 4.4 ,在白天降溫 2.56.5 。袁巧霞19-20設(shè)計(jì)了一種半被動(dòng)式塑料大棚地下熱交換系統(tǒng),試驗(yàn)表明,該系統(tǒng)可在夜間維持 8 9 的棚內(nèi)外氣溫差,同時(shí)棚內(nèi)地溫可提高 10 左右,并分析了該系統(tǒng)在中國的適宜范圍、適合的蔬菜品種及主要參數(shù)的選擇。在此基礎(chǔ)上,袁巧霞21將波紋塑料管和陶土管作為地下熱交換系統(tǒng)的管道材料,通過試驗(yàn)及理論分析比較得出,波紋塑料管的換熱性能和析濕特性優(yōu)于陶土管,且使用成本較低。吳德讓等22-23運(yùn)用傳熱學(xué)的基本理論,建立了日光溫室地下熱交換系統(tǒng)土壤溫度場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型,同時(shí)通過對(duì)比試驗(yàn)研究了日光溫室采用地下熱交換系統(tǒng)在冬季生產(chǎn)喜溫蔬菜的可行性和實(shí)用性。孫周平等24在彩鋼板保溫裝配式節(jié)能日光溫室地下 0.5 m 設(shè)計(jì)安裝了空氣 地中熱交換系統(tǒng)進(jìn)行蓄熱,經(jīng)過整個(gè)冬季的測(cè)試發(fā)現(xiàn),空氣 地中熱交換系統(tǒng)與水循環(huán)蓄熱系統(tǒng)結(jié)合使用可代替?zhèn)鹘y(tǒng)土墻的蓄熱能力,進(jìn)而確保日光溫室冬季的溫?zé)岘h(huán)境。張勇等13提出了一種能夠?qū)滋旄挥嗄芰窟M(jìn)行有效存儲(chǔ)的主動(dòng)蓄熱后墻日光溫室,與傳統(tǒng) 9 m 跨的被動(dòng)蓄熱日光溫室進(jìn)行了對(duì)比分析,結(jié)果表明,主動(dòng)蓄熱后墻日光溫室的氣溫有了較明顯提高。 計(jì)算流體力學(xué)( computational fluid dynamics, CFD)第 4 期 鮑恩財(cái)?shù)龋翰煌馁|(zhì)傳熱風(fēng)道性能及蓄熱土壤溫度場(chǎng) CFD 模擬 233 在管道傳熱25-27及溫室模擬28-29方面均有應(yīng)用。 如 Bansal等30為減少冬季建筑物的熱負(fù)荷,基于 CFD 建立了土壤管道 空氣換熱系統(tǒng)的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài) 2 種模型,從管道材料和空氣流速角度分別研究了該系統(tǒng)的熱性能,結(jié)合試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)的空氣流速對(duì)系統(tǒng)的影響較大,但不受管道材料的影響,這與袁巧霞21的測(cè)試結(jié)果并不一致,可能是因?yàn)楣艿辣旧硎欠衩荛](如陶土管具有一定的透氣、透濕性)、管道的表面結(jié)構(gòu)(如波紋管與直管)不同而導(dǎo)致的研究結(jié)果的不同; Zhang 等31建立了中國西北地區(qū)的日光溫室模型,利用 CFD 模擬分析了不同厚度后墻日光溫室對(duì)室內(nèi)空氣溫度分布的影響。 綜上,將傳熱風(fēng)道應(yīng)用于園藝設(shè)施的土壤及墻體中進(jìn)行空氣熱交換操作簡(jiǎn)便、效果明顯,但對(duì)傳熱風(fēng)道周身是否密閉的傳熱效果研究未見報(bào)道,本文采用周身密閉型風(fēng)道和透氣型風(fēng)道進(jìn)行對(duì)比研究,其中透氣型風(fēng)道采用鋼筋網(wǎng)管道作為風(fēng)道的骨架,起支撐作用,以土工布單層纏繞鋼筋網(wǎng)管道作為傳熱面,搭接重疊 100 mm;根據(jù)園藝設(shè)施實(shí)際使用的工況,設(shè)計(jì)了一種可測(cè)試不同材質(zhì)風(fēng)道傳熱性能的試驗(yàn)臺(tái),將測(cè)試結(jié)果與 CFD 模擬結(jié)果對(duì)比分析不同材質(zhì)風(fēng)道傳熱性能,并對(duì)蓄熱土壤溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬分析,從風(fēng)道材質(zhì)角度提出進(jìn)一步改進(jìn)園藝設(shè)施換熱系統(tǒng)的方法。 1 材料與方法 1.1 風(fēng)道傳熱試驗(yàn)臺(tái) 風(fēng)道傳熱試驗(yàn)臺(tái)主要由制熱箱體、輸送管道及試驗(yàn)箱體 3 部分組成,如圖 1 所示。制熱箱體由混凝土養(yǎng)護(hù)箱改造而成,配套壓縮機(jī)及電源控制柜,箱體上有控制面板,可設(shè)置箱體內(nèi)的溫濕度;輸送管道包括進(jìn)風(fēng)管道及出風(fēng)管道,分別安裝在箱體門的上下部位,輸送管道外部做絕熱處理,進(jìn)風(fēng)管道的熱風(fēng)進(jìn)口處安裝有風(fēng)機(jī);試驗(yàn)箱體內(nèi)部填充蓄熱體,中部埋置傳熱風(fēng)道;輸送管道與傳熱風(fēng)道連接處可拆卸,用于連接不同材質(zhì)的傳熱風(fēng)道。 1.控制面板 2.制熱箱體 3.進(jìn)風(fēng)管道 4.蓄熱土壤 5.傳熱風(fēng)道 6.出風(fēng)管道 7.門把手 8.風(fēng)機(jī) 9.滾輪 10.壓縮機(jī) 11.電源控制柜 1.Control panel 2.Heating cabinet 3.Air inlet pipe 4. Thermal storage soil 5.Heat transfer pipe 6.Air outlet pipe 7.Doorknob 8.Fan 9.Roller 10.Compressor 11.Power control pod 圖 1 試驗(yàn)臺(tái)示意圖 Fig.1 Schematic diagram of test stand 輸送管道采用鋁箔管道外裹絕熱棉氈;蓄熱體為人工夯實(shí)的土壤,取自西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院試驗(yàn)基地( 34°15N, 108°03E)地表下 1 3 m 處,為使 3 個(gè)試驗(yàn)臺(tái)的蓄熱土壤的條件一致,在同尺寸的試驗(yàn)臺(tái)內(nèi)填實(shí)同等質(zhì)量的土壤,壓實(shí)后測(cè)試得到蓄熱土壤含水率13.9%、壓實(shí)度 90.3%; 3 種傳熱風(fēng)道材質(zhì)分別為聚氯乙烯管道( polyvinyl chloride pipe, PVC)、鍍鋅鐵皮管道( galvanized iron pipe, GI)及鋼筋網(wǎng)外纏繞土工布管道( steel mesh skeleton-geotextile composite pipe, SFG),輸送管道及傳熱風(fēng)道直徑均為 200 mm。課題組前期研究表明后墻主動(dòng)蓄熱循環(huán)系統(tǒng)中混凝土預(yù)制板傳熱風(fēng)道上下表面各 200 mm 的高度范圍內(nèi)均屬于蓄熱體32, 為保證傳熱風(fēng)道四周的蓄熱體厚度不少于 200 mm,本試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)試驗(yàn)箱體的端面尺寸為 800 mm×800 mm,試驗(yàn)箱體長(zhǎng)2 m。在箱體四周采用 120 mm 厚彩鋼板外貼隔熱,試驗(yàn)過程中所有縫隙處采用聚氨酯泡沫填縫劑填充。傳熱風(fēng)道及土壤的性能參數(shù)如表 1 所示(部分參數(shù)來源于 GB 50176-2016民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范)。 表 1 傳熱風(fēng)道及土壤的性能參數(shù) Table 1 Performance parameters of heat transfer pipe and soil 材料Materials導(dǎo)熱系數(shù) Thermal conductivity/(W·m-1·K-1) 比熱 Specific heat/ (J·kg-1·K-1) 密度 Density/ (g·cm-3) 壁厚Thickness/mm PVC 0.16 1 004.9 1.42 3.2 GI 17 500 6.95 2SFG 0.26 1 674 0.15 3.6 土壤 Soil 1.65 1 200 1.82 - 注: PVC 表示聚氯乙烯管道; GI 表示鍍鋅鐵皮管道; SFG 表示鋼筋網(wǎng)外纏繞土工布管道,下同。 Note: PVC means polyvinyl chloride pipe, GI means galvanized iron pipe, SFG means steel mesh skeleton-geotextile composite pipe, the same below. 1.2 試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試 傳熱風(fēng)道進(jìn)、出口的空氣溫濕度由 PDE-KI 環(huán)境數(shù)據(jù)記錄儀(哈爾濱物格電子技術(shù)有限公司生產(chǎn),溫度測(cè)量范圍: 30 70 ,準(zhǔn)確度 ±0.5 ,分辨率 0.1 ;濕度測(cè)量范圍: 0 99%,準(zhǔn)確度 ±3%,分辨率 1%)采集,分別位于風(fēng)道進(jìn)、 出口幾何中心。 端面蓄熱土壤溫度由 PDE-R4溫度數(shù)據(jù)記錄儀(哈爾濱物格電子技術(shù)有限公司生產(chǎn),溫度測(cè)量范圍 30 70 ,準(zhǔn)確度 ±0.5 ,分辨率 0.1 )采集。在傳熱風(fēng)道的上、下、左、右 4 個(gè)方向各布置 5 個(gè)測(cè)點(diǎn),測(cè)點(diǎn)間距 60 mm,布點(diǎn)情況如圖 2 所示 .。所有測(cè)點(diǎn)記錄數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔均為 5 min。 進(jìn)、 出口的風(fēng)速由 testo425風(fēng)速儀(德國 testo 公司生產(chǎn),風(fēng)速測(cè)量范圍 0 20 m/s,精度±( 0.03 m/s+5%測(cè)量值),分辨率 0.01 m/s)采集。 注: A 表示在管道上部; B 表示在管道下部; L 表示在管道左側(cè); R 表示在管道右側(cè),下同。 Note: A means test points above the pipe, B means test points below the pipe, L means test points left the pipe, R means test points right the pipe, the same below. 圖 2 試驗(yàn)臺(tái)測(cè)點(diǎn)分布圖 Fig.2 Distribution of test points in test stand 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)( http:/www.tcsae.org) 2018 年 2341.3 數(shù)據(jù)處理 本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用 Excel 2007 進(jìn)行平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤的求解及表格的制作,用 SPSS20.0 進(jìn)行顯著性測(cè)試。 2 試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試結(jié)果與分析 2.1 風(fēng)道傳熱量計(jì)算 對(duì) 3 種傳熱風(fēng)道分別進(jìn)行測(cè)試,均連續(xù)通風(fēng) 4 h,各風(fēng)道的進(jìn)、出口溫濕度如表 2 所示。由表 2 可知,進(jìn)口的溫濕度沒有差異,出口的溫濕度均存在顯著差異( PGI> SFG,說明 SFG 的傳熱效果最好,對(duì)應(yīng)土壤的蓄熱量最多,表 3 的計(jì)算結(jié)果也說明了這點(diǎn)。本文的試驗(yàn)結(jié)果與SFG 中土工布具有透氣、透濕性有關(guān);出口濕度表現(xiàn)為GI>PVC>SFG,這是因?yàn)?SFG 中的土工布具有透氣、透濕性使得土壤吸收了空氣熱量的同時(shí)也吸收了濕度,但SFG 的透氣率、透濕率與傳熱量、吸濕量的關(guān)系尚缺少研究。 2) 土工布的使用壽命在 80 a 以內(nèi)39, 在建筑、 水利、鐵路、公路、港口、采礦、軍工等多個(gè)領(lǐng)域均有應(yīng)用40,因此在園藝設(shè)施的應(yīng)用基礎(chǔ)較好。且 3 種傳熱風(fēng)道的市場(chǎng)價(jià)格為 GI>PVC>SFG,而傳熱效果為 SFG>PVC>GI,因此,采用 SFG 作為園藝設(shè)施傳熱風(fēng)道具有明顯優(yōu)勢(shì),下一步將在園藝設(shè)施內(nèi)開展實(shí)際使用效果的試驗(yàn)研究。 3)本文建立的 CFD 模型可應(yīng)用于復(fù)雜工況下的傳熱模擬研究,如日光溫室主動(dòng)蓄熱墻體13進(jìn)風(fēng)口不同風(fēng)速對(duì)蓄熱性能的影響,且通過 CFD 對(duì)溫度場(chǎng)的分布計(jì)算出蓄熱體的有效蓄熱“體積”,對(duì)傳熱風(fēng)道的合理布置具有實(shí)際應(yīng)用意義,這在后續(xù)研究中將通過模擬結(jié)合實(shí)測(cè)的方式加強(qiáng)分析。 5 結(jié) 論 通過試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試發(fā)現(xiàn)鋼筋網(wǎng)外纏繞土工布管道 ( steel mesh skeleton-geotextile composite pipe, SFG)的傳熱效果最好,本試驗(yàn)條件下的換熱量達(dá)到 299.44 kJ,約是鍍鋅鐵皮管道( galvanized iron pipe, GI)的 4 倍、聚氯乙烯管道( polyvinyl chloride pipe, PVC)的 3 倍。 SFG 進(jìn)、出口上、下、左、右 4 個(gè)方向的有效蓄熱范圍均遠(yuǎn)大于240 mm; 進(jìn)口上、 下、 左、 右高效蓄熱范圍均大于 240 mm,出口上、下、左、右高效蓄熱范圍分別為大于 240 mm、180 240 mm、 180 240 mm、 180 240 mm。而 PVC 的傳熱效果略優(yōu)于 GI,說明透氣型風(fēng)道的傳熱效果明顯優(yōu)于密閉型風(fēng)道。 通過 CFD 建立的 3 個(gè)傳熱風(fēng)道計(jì)算模型的最大相對(duì)誤差為 4.4%,說明該模型可用于研究不同材質(zhì)風(fēng)道傳熱性能及蓄熱土壤溫度場(chǎng)分布情況。通過對(duì)蓄熱土壤溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬,發(fā)現(xiàn)截面分布顯示從進(jìn)風(fēng)口到出風(fēng)口具有一定的“坡降”。 因此,鋼筋網(wǎng)外纏繞土工布管道的傳熱效果明顯優(yōu)于聚氯乙烯管道及鍍鋅鐵皮管道,后兩者效果相似,鋼筋網(wǎng)外纏繞土工布管道具有較高的應(yīng)用潛力和一定的推廣價(jià)值。 參 考 文 獻(xiàn) 1 鄒志榮 . 園藝設(shè)施學(xué) M. 北京:中國農(nóng)業(yè)出版社, 2002. 2 馬承偉,苗香雯 . 農(nóng)業(yè)生物環(huán)境工程 M. 北京:中國農(nóng)業(yè)出版社, 2005. 3 張勇,鄒志榮,李建明 . 傾轉(zhuǎn)屋面日光溫室的采光及蓄熱性能試驗(yàn) J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2014, 30(1): 129 137. Zhang Yong, Zou Zhirong, Li Jianming. Performance experiment on lighting and thermal storage in tilting roof solar-greenhouseJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(1): 129 137. (in Chinese with English abstract) 4 王宏麗,鄒志榮,陳紅武,等 . 溫室中應(yīng)用相變儲(chǔ)熱技術(shù)研究進(jìn)展 J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2008, 24(6): 304 307. Wang Hongli, Zou Zhirong, Chen Hongwu, et al. Research advances in technologies of phase-change heat storage and its application in greenhousesJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2008, 24(6): 304 307. (in Chinese with English abstract) 5 Berroug F, Lakhal E K, El Omari M, et al. Thermal performance of a greenhouse with a phase change material north wallJ. Energy and Buildings, 2011, 43(11): 30273035. 6 戴巧利,左然,李平,等 . 主動(dòng)式太陽能集熱 /土壤蓄熱塑料大棚增溫系統(tǒng)及效果 J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2009, 25(7):164 168. Dai Qiaoli, Zuo Ran, Li Ping, et al. 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