地铁隧道内毛细管换热器的传热分析

摘要：通过数值模拟及实验相对应的方法，研究在实验边界条件下毛细管换热器在地铁隧道内的换热特性及其对隧道内热量传递的影响，数值模拟和实验测试结果显示虽然毛细管与电热膜的热流量不同，但向空气及围岩传递热量的比例基本一致，实验验证了数值模拟的正确性。

关键词:毛细管换热器 地铁隧道 围岩 衬砌 传热

中图分类号：U45文献标识码： A

前言

地铁以其速度快、客运量大、绿色环保等优势，越来越受人们青睐。从1863年世界上第一条地下铁道在英国伦敦建成通车，到目前国内外建设地下线路的城市已达100多个[[[]陶林芳.沈培钧．地铁的意义[J]．综合运输，2007，(10):1．]]。伴随着地铁的快速发展，地铁内空调系统逐渐凸显出其重要性，它保证了日常运营给乘客和设备提供适宜的环境，是地铁正常运营的必要条件。由于地铁线路处于地下空间，特殊的地下环境对地铁空调设计提出了不同于地面建筑的要求，前端换热设备的使用及冷源的选取也相应的受到一些限制，对目前地铁空调系统分析后，本文提出采用毛细管换热器利用自然冷热源应用于地铁空调系统并对其传热特性进行分析。

1数值模拟

1.1毛细管换热器简介及换热原理

毛细管网以换热均匀、节省建筑空间、绿色环保等优势，在辐射空调系统中作为末端换热器取得较大成就。同时，由于其耐高温高压、耐腐蚀且换热面积大等特点，也逐渐作为前端换热器应用与地表水或浅层土壤源热泵系统中[[[]邱俊杰.塑料毛细管网换热器专利分析与技术应用[J].中国发明与专利,2010,(9):73-75]]。

图1 毛细管结构示意图

毛细管网栅是分集水式结构，如图1，由供回水主管和若干毛细管以一定间距并联焊接而成。管材质为PPR，尺寸4.3 *0.85mm，每片管网上有48根长度为3m的毛细管，管内换热介质的流动状态为层流，流速为0.05m/s。

毛细管换热器布置在隧道衬砌内，并以抹灰材料覆盖，毛细管利用地铁隧道浅层地热（冷）能对地铁车站进行制冷，换热原理如图2，换热器和隧道空气及隧道岩存在温差，三者以导热、对流、辐射（可忽略不计）的方式存在热量交换[[[]章熙民，任泽霈，梅飞鸣.《传热学》（第五版）[M].中国建筑工业出版社.]]，其中换热器与隧道空气以对流换热的方式进行热量交换，与围岩以导热的方式进行热量交换。

图2 毛细管换热器在地铁隧道内的换热原理

1.2模型建立及边界条件设定

由于地铁系统的长期运营，隧道通风不能及时将隧道内产生的热量排放出去，造成热量积累，常年累月下去，使隧道地层温度升高，在隧道衬砌周围形成一个“热套”[[[] Cockram I J, Bimie G R. The ventilation of London，s underground railways[C]. 2nd International Sympos-ium on the Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels. 1976.]][[[] Ampfo F, Maidment G, Missenden J. Underground rail-way environment in the UK Part3: Methods of delive-ring cooling [J].Applied Thermal Engineering, 2004, 24: 647-659.]]。隧道“热套”类似与采矿巷道周围地层形成的“调热圈”[[[]陈云娜.浅谈地铁环控通风[J].地下工程与隧道,1995,（3）:38-42.(CHEN Yun-na. Introduction of HVAC system of metros[J]. Underground Engineering and Tunnelling, 1995, (3): 38-42. ( in Chinese)]]概念，本文鉴于以上情况及毛细管换热器对隧道“热套”的影响，经模拟计算取隧道热套厚度50m即可满足要求。

根据地铁隧道尺寸建立正圆形隧道模型，隧道内径5500mm，衬砌厚350mm，取隧道岩50m进行计算，模型尺寸如图3。

以实验边界条件进行模拟，即隧道空气温度29.5℃，围岩边界温度25.7℃，毛细管进口温度为38℃，当列车平均速度为40km/h时活塞风速为5.9m/s[[[]徐文熙，徐文灿．粘性流体力学[M]．北京：北京理工大学出版社，1989．]]。

1.3模拟结果及分析

隧道温度场如图4所示，模拟结果反映了隧道两侧温度梯度的差别，围岩传热出现局部偏心现象，沿围岩半径方向，偏心现象逐渐消失，围岩温度梯度变化逐渐减小。布置换热器一侧，围岩温度低于隧道内空气及毛细管温度，围岩吸收空气及毛细管的热量，热量传递幅度较大，温度梯度较大。未布置换热器一侧，围岩只吸收了隧道内空气的热量，吸热量小于布置换热器一侧，故显现围岩温度梯度的不同。

由于毛细管温度高于隧道内空气及围岩温度，毛细管向隧道空气及围岩传热，其中向隧道空气传递的热量占总热量的27.69%，向围岩传递的热流量总热量的72.31%。

图4a隧道纵截面温度场图图4b换热器周围温度场

图4隧道温度场

2实验验证

2.1相似性分析

模型试验与原模型的相似分为完全模拟和近似模拟两种[[[]金学易，陈文英．隧道通风与隧道空气动力学[M]．北京:中国铁道出版社，1983．]]，本实验主要考虑动力相似，忽略其它次要因素，为近似模拟。经分析可得模型试验与实物相似只需两者入口处几何尺寸相似、模型试验形状尺寸与实物相似、准则数及准则数相等即可[[[]挥起麟．实验空气动力学[M]．北京：国防工业出版社1991．第一版]]。

被研究隧道为单线无竖井隧道，车速40km/h时活塞风速5.9m/s，保证模型风速与实际活塞风速相同，是满足准则数相同的必要条件。

根据相似准则，计算得出本模型试验的雷诺数，远大于粗糙管最大雷诺数第二临界值，模型试验区间内流体已进入自模区，故本实验与实际隧道内流体运动自动满足雷诺数准则。

用轴流风机以实际活塞风速吹风模拟活塞风，模型试验各几何尺寸与原模型相似，各主要相似准则数相等，满足相似条件。

2.2试验台搭建

实验用混凝土管模拟地铁隧道，混凝土管当量直径cm，长200cm，壁厚32cm，用沙子模拟围岩介质，各部分几何尺寸如图3所示。

图5 模型隧道平面图

混凝土管两侧、上侧沙子厚度均为2.5m，沙子沿混凝土管长度方向布满整个空间，形成一个长、宽、高为2×5.5×2.5m的立方体。

用电热膜模拟毛细管网，发热功率可调。在模型隧道一侧壁面布置电热膜，电热膜外层敷贴隔热膜，在隔热膜外层敷贴柔性热流传感器及热电偶，在管内布置热电偶，以便测量隧道内温度。在混凝土管外侧相对应电热膜处沿隧道径向方向，每隔0.5m布置一个测点，共布置6个测点，每个测点布置一个热流计传感器和一个热电偶，以便测量该点的热流密度及温度值，埋好测点用沙子覆盖。同时，在试验台外侧单独布置一个热电偶，测量室外大气温度。

2.3实验方法及实验仪器

实验开始前，给每个热电偶和热流传感器编号后将其连接到数据采集仪上，开启电热膜和风机，风机每隔10min，对模型隧道吹风1min，待电热膜功率稳定后，开启数据采集仪并设定采集仪每隔1min采集一次数据，记录各测点温度及热流密度值，直至传热达到稳定，实验历经776min。

实验需测量的物理量为温度和热流量，温度测量采用T型热电偶，热流量测量采用管道热流传感器，用Agilent34970A数据采集仪进行数据采集和存储。

2.4实验测试结果分析

实验记录了每个测点在776min内热流量及温度数值，由于测点5、6靠近模型边界，测试值易受外界空气温度影响，测点2处于管壁与沙子两种材质的交界处，热流变化不稳定，故选择测点1、3、4的数据进行分析。

电热膜的热流量为恒定值，测点1、3、4 所在截面的热流值如图3所示。

图6 测点热流随时间变化曲线 图7 测点温度随时间变化曲线

由图4可知，0~500min前，测点3、4截面的热流量随时间延长而增大，且测点4的热流小于测点3的热流，500min以后，热量传递达到稳定状态，3、4截面的热流量基本一致。0~370min以前，测点1的热流刚开始为负值，随时间延长，热流逐渐增大，370min以后，热流数值基本不变。

造成测点3、4热流量不同的原因为两个测点距离0.5m，且测点2距热源较近，热量传递到测点3的同时并未传递到测点4，热量传递过程中存在延迟性。

测点1所测热量为电热膜向空气传递的热量，实验刚开始时，热流密度为负值，表明管内空气向沙子传递热量，42min后，热流量为正值，表明电热膜向管内空气传递热量，370min以后传热达到稳定状态。

传热稳定后，测点3、4截面的热流量占总热量的66.67%，测点1截面的热流量占总热量的26.67%，即电热膜热量的66.67%传向沙子，26.67%传向空气，偏差为6.6%。虽然热量传递主要沿管径向方向，但垂直径向方向也存在一小部分的热量传递，热流传感器只测出了沿管径向方向传导的热量，故出现了6.6%的偏差。

图5为各测点温度随时间变化关系，室外空气温度较高约35℃，管内空气温度、测点3、4、5处温度依次降低，测点5的温度为25.71℃。管内空气温度受电热膜及室外空气影响较大，温度较高，距离电热膜较近的测点易受电热膜发热量的影响，温度较高，距电热膜距离依次增大的测点，温度依次降低。

3结论

（1）对地铁隧道内布置毛细管换热器进行模拟，模拟和实验的边界条件一致，模拟结果显示毛细管向隧道空气及围岩传热，向隧道空气传递的热量占总热量的27.69%，向围岩传递的热量占总热量的72.31%。

（2）根据隧道尺寸按1:11搭建试验台，在保证模型实验与实物相似的前提下进行实验，测试结果为电热膜向管内空气及沙子传热，电热膜热量的26.67%传向管内空气，66.67%传向管外沙子，偏差为6.6%。

（3）模拟实验相比，虽然毛细管与电热膜的热流量不同，但向空气及围岩传递热量的比例基本一致，实验验证了模型的正确性。

（4）采用此模型在不同边界条件及不同工况下对毛细管换热器布置在地铁隧道内换热的数值模拟结果较可靠。

参考文献:

[]陶林芳.沈培钧．地铁的意义[J]．综合运输，2007，(10):1．

[]邱俊杰.塑料毛细管网换热器专利分析与技术应用[J].中国发明与专利,2010,(9):73-75

[]章熙民，任泽霈，梅飞鸣.《传热学》（第五版）[M].中国建筑工业出版社.

[] Cockram I J, Bimie G R. The ventilation of London，s underground railways[C]. 2nd International Sympos-ium on the Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels. 1976.

[] Ampfo F, Maidment G, Missenden J. Underground rail-way environment in the UK Part3: Methods of delive-ring cooling [J].Applied Thermal Engineering, 2004, 24: 647-659.

[]陈云娜.浅谈地铁环控通风[J].地下工程与隧道,1995,（3）:38-42.(CHEN Yun-na. Introduction of HVAC system of metros[J]. Underground Engineering and Tunnelling, 1995, (3): 38-42. ( in Chinese)

[]徐文熙，徐文灿．粘性流体力学[M]．北京：北京理工大学出版社，1989．

[]金学易，陈文英．隧道通风与隧道空气动力学[M]．北京:中国铁道出版社，1983．

[]挥起麟．实验空气动力学[M]．北京：国防工业出版社1991．第一版