Расчет теплового насоса – тосол/вода

↑

▷ Содержание

⇐ ПредыдущаяСтр 8 из 10Следующая ⇒

В соответствии с расчетами необходимо подобрать тепловой насос.

Исходя из заданной нагрузки на отопление здания (0,207 Гкал/час), принимаем для внедрения 3 тепловых насоса типа ТП SSR-25 со следующими параметрами работы каждой машины:

- тепловая производительность - 100 кВт, 86 000 ккал/ч;

- холодопроизводительность – 91,83 кВт, 78973 ккал/ч;

- электрическая мощность - 20 кВт.

- 2 скважинных насоса WILO.

С учетом привода скважинных и сетевых насосов суммарная электрическая мощность увеличится примерно на 10 кВт и составит 20·3 маш.+10=70кВт.

Примечание:

– режим работы при производстве тепла: температура внешнего контура 15˚С, внутреннего +45˚С.

– режим работы при производстве холода: температура внешнего контура 15˚С, внутреннего -7˚С.

– температура воды со скважины: зимой >9˚С, летом <41˚С.

– температура тосола при включении на замкнутый внешний контур: зимой >-4˚С, летом <21˚С.

Две петли двойных U-образных пластиковых труб в одной скважине. Все полости между трубами и грунтом заполнены материалом, хорошо проводящим тепло (бетонит). Охлажденная и защищенная от замерзания вода (тосол) в этом случае также подается до самой низ­кой точки и затем возвращается к испари­телю теплового насоса. При этом она забирает тепло. Опыт показывает, что удельный тепловой поток очень сильно колеблется и находится между 20 и 100 Вт на метр длины зонда.

Расстояние между двумя грунтовыми зондами должно составлять 5 – 6 м. Если расчеты производятся исходя из среднего значения 50 Вт/м, то, например, для холодопроизводительности 6,5 кВт это означает наличие зонда длиной 130 м или двух зондов длиной по 65 м. В случае таких установок необходимо свое­временно информировать соответствую­щую службу госводонздзора о строитель­ном проекте.

А – обратный трубопровод тосол; В – подающий трубопровод тосол; С – суспензия бетонит-цемент; D – защитный колпачок.

Рисунок 18. Зонд из двойной U-образной трубы

В качестве теплоносителя системы сбора низкопотенциального тепла грунта, исходя из имеющегося опыта и представленных на рынке веществ и растворов, учитывая их эксплуатационные свойства и стоимость, принят 35 % водный раствор этиленгликоля со следующими теплофизическими характеристиками:

Таблица 3

Теплофизические характеристики водного раствора этиленгликоля

Грунтовый теплообменник (далее по тексту - термоскважина) представляет собой конструкцию «труба в трубе» коаксиального типа со стальной наружной и полиэтиленовой внутренней трубами. Теплоноситель, отдав тепло и охладившись в испарителе теплонасосной установки (ТНУ), поступает во внутреннюю (полиэтиленовую) трубу грунтового теплообменника, опускается в нижнюю часть скважины, переходит в межтрубную полость, где поднимается вверх и, нагреваясь, отбирает тепло грунта и вновь отдает его в испарителе ТНУ.

Ниже приведены геометрические характеристики термоскважины:

Наружная труба Æ219х7,7 мм (сталь)

Внутренняя труба Æ180х16,2 мм (полиэтилен)

Эквивалентный диаметр кольцевого канала:

d_э = 4 · F / P = [4 · p / 4 · (D ² – d ²)] / p · (D + d) (2.5)

d_э = D – d = 0,2036 - 0,18 = 0,0236 (м)

Площадь кольцевого канала межтрубной полости:

f_k = p / 4 · (D ² – d ²) (2.6)

f_k = 3,14 / 4 · [(0,2035)² - (0,18)²] = 0,007 (м²)

Режим кондиционирования

Суммарную холодопроизводительность ССНТГ принимаем равной нагрузке кондиционирования Q ₀ = 1740 (кВт). Общее количество термоскважин ССНТГ n = 89.

Холодопроизводительность одной термоскважины:

Q ₁ = Q ₀ / n (2.7)

Q ₁ = 1740 / 89 = 19,6 кВт

Объемный расход теплоносителя через термоскважину:

G_v = Q ₁ / (r · C_p · D t) (2.8)

G_v = 19,6 / {1045 · 3,57 · [(15) - (9)]} = 0,00087 м³/с

где r - плотность теплоносителя, кг/м³;

C_p - удельная теплоемкость теплоносителя, кДж/кг·К;

D t - разность температур теплоносителя, °С.

Принимаем температуру входа теплоносителя в термоскважину и выхода из нее соответственно: t ₁ = 15 °С, t ₂ = 9 °С.

Скорость теплоносителя в кольцевом канале:

V = G_v / f_k (2.9)

V = 0,00087 / 0,007 = 0,124 м/с

Критерий Рейнольдса:

Re = V · d_э / v (2.10)

Re = 0,124 · 0,0236 / (6,29 · 10^-6) = 465 << 2000

что характеризует режим течения теплоносителя в кольцевом канале как ламинарный.

Для определения более подробных характеристик теплового взаимодействия и выбора расчетных зависимостей числа Нуссельта, определим критерии Пекле и Грасгофа.

Критерий Пекле (характеризует соотношение конвективных и кондуктивных потоков тепла при конвективном теплообмене):

Pe = V · d_э / a = Re · Pr (2.11)

Pe = 465 · 51 = 23715

Критерий Грасгофа (характеризует соотношение подъемных сил и сил вязкости):

Gr = [ g · b · D t · (d_э)³] / v ² (2.12)

Gr = [9,81 · (1,9 · 10^-4) · 8 · (2,36 · 10^-2)³] / (7,35 · 10^-6)² = 26666

где g - ускорение свободного падения, м/с²;

b - температурный коэффициент объемного расширения жидкости, 1/К.

b= (r _ж - r _ст) / [r _ж · (t_ж - t_ст)] (2.13)

b = 1,9 · 10-4 1/К

где r _ж - плотность жидкости при температуре потока, кг/м³;

r _ст - плотность жидкости при температуре стенки, кг/м³;

t_ст - расчетная температура стенки, °С;

t_ж - расчетная температура потока, °С.

В связи с тем, что Re << 2000, для определения степени влияния гравитационных сил определяем параметр:

Gr · Pr = 26666 · 51 = 1359966

т.к. (7¸8)·10⁵ < 1359966 < 4 · 10⁸

в рассматриваемом случае имеет место вязкостно-гравитационный режим течения теплоносителя в термоскважине. Такой режим течения жидкости характеризуется наложением на вынужденное течение свободного течения, обусловленного зависимостью плотности жидкости от температуры.

В соответствии с [16] и вследствие того, что:

(1/Pe)·(L / d_э) = (1/26666)·(50/0,0236) = 0,079 >0,004

критерий Нуссельта (безразмерный коэффициент теплоотдачи) в условиях течения жидкости в кольцевом канале при теплообмене только через наружную стенку трубы в условиях ламинарного течения при вязкостно-гравитационном режиме будет равен:

Nu = {3,66 + [0,0668 (Pe (d_э / L))] / [1 + 0,04 · (Pe (d_э / L))^2/3]} e₁ · y₁ (2.14)

Nu = {3,66 + [0,0668 (26666 (0,0236 / 50))] / [1 +

+ 0,04 (26666 (0,0236 / 50))^2/3]} · 1 · 1,04 = 4,53

где e₁ - поправочный коэффициент на гидродинамический начальный участок; вследствие того, что (1/Re) · (L / d_э) = 4,56 >> 0,1 имеет место наличие успокоительного участка, т.е. ₁ = 1

y₁ - коэффициент, учитывающий изменение физических свойств потока.

y₁ = (m _ст / m _ж)^-0,14 (2.15)

y₁ = (4810 · 10^-6 / 6514 · 10^-6)^-0,14 = 1,04

где m _ст - коэффициент динамической вязкости при температуре стенки, Па·с;

m _ж - коэффициент динамической вязкости при температуре потока, Па·с;

В связи с тем, что отношение длины канала к его гидравлическому диаметру:

L / d_э = 50 / 0,0236 = 2119 >> 120

можно принять модель бесконечно длинной трубы.

В соответствии с таблицей 2-27 [16] для

d_вн / d_н = 180 / 203,6 = 0,884 Nu_¥ = 4,8

для граничных условий первого рода (температура на стенке трубы постоянна), что весьма близко к полученному расчетному значению.

Для ламинарного течения жидкости в трубах [17] предлагает следующее выражение для числа Нуссельта:

Nu = 1,86 · Re^1/3 · Pr^1/3 · (L / d_э)^-1/3 · (m _ст / m _ж)^0,14 (2.16)

Nu = 1,86 · 465^0,33 · 51^0,33 · (50 / 0,0236)^-0,33 · (4810 · 10^-6 / 6514 · 10^-6)^0,14 = 4,0

т.е. Nu ³ 3,66 при Re · Pr = 23715 >> 100

В соответствии с таблицей 3-8 для граничных условий 1-го рода Nu_¥ = 4,86.

Таким образом, расчеты подтверждают приближение расчетных значений Nu к значениям Nu_¥ для граничных условий первого рода.

По результатам определения числа Нуссельта для вязкостно-гравитационного режима ламинарного течения жидкости в кольцевом канале вертикального грунтового теплообменника по двум источникам можно сделать вывод о том, что полученные данные имеют различие в ~11% и примерно соответствуют условиям теплообмена бесконечной трубы при граничных условиях первого рода (температура стенки теплообменника является постоянной). Принимаем для дальнейших расчетов на режиме кондиционирования Nu = 4,3.

Коэффициент теплоотдачи со стороны теплоносителя:

a = Nu · l / d_э (2.17)

a = 4,3 · 0,461 / 0,0236 = 84 (Вт/м² · °С)

Режим теплоснабжения

При работе на режиме теплоснабжения тепловая мощность CCHTГ Q ₀ = 1000 (кВт).

Тепловая мощность одной термоскважины:

Q ₁ = Q ₀ / n (2.18)

Q ₁= 1000 / 89 = 11,2 кВт

Объемный расход теплоносителя:

G_v = Q ₁ / (r · C_p · D t) (2.19)

G_v = 11,2 / {1045 · 3,57 · [(-3) - (-6)]} = 0,001 м³/c

где r - плотность теплоносителя (кг/м³);

C_p - удельная теплоемкость теплоносителя (кДж/кг·К);

D t - разность температур теплоносителя (°С).

Температуры входа и выхода теплоносителя в термоскважине на режиме теплоснабжения, соответственно t ₁ = -3 °С и t ₂ = -6 °С.

Скорость теплоносителя в кольцевом канале:

V = G_v / f_k (2.20)

V = 0,001 / 0,007 = 0,14 м/с

Критерий Рейнольдса:

Re = V · d_э / v (2.21)

Re = 0,14 · 0,0236 / (6,29 · 10^-6) = 525 << 2000

что позволяет сделать вывод о том, что режим течения теплоносителя в кольцевом канале ламинарный.

Критерий Пекле:

Pe = V · d_э / a = Re · Pr (2.22)

Pe = 525 · 51 = 26775

В соответствии с критерий Нуссельта (безразмерный коэффициент теплоотдачи) в условиях течения жидкости в кольцевом канале при теплообмене только через наружную стенку трубы в условиях ламинарного течения при вязкостно-гравитационном режиме будет равен:

Nu = {3,66 + [0,0668 · (Pe (d_э / L))] / [1 + 0,04 · (Pe (d_э / L))^2/3]} e₁ · y₁ (2.23)

Nu = {3,66 + [0,0668 (26775 (0,0236 / 50))] / [1 +

+ 0,04 (26775 (0,0236 / 50))^2/3]} · 1 · 1,04 = 4,5

В соответствии с [17] для ламинарного течения жидкости в трубах предлагается следующее выражение для числа Нуссельта:

Nu = 1,86 · Re^1/3 · Pr^1/3 · (L / d_э)^-1/3 · (m _ст / m _ж)^0,14 (2.24)

Nu = 1,86 · 525^0,33 · 51^0,33 · (50 / 0,0236)^-0,33 · (4810 · 10^-6 / 6514 · 10^-6)^0,14 = 4,1

Имея в виду то, что различные формулы расчета дают разницу около 8 %, ориентируясь на предельные значения для данного случая при граничных условиях первого рода, принимаем Nu= 4,3.

Тогда коэффициент теплоотдачи со стороны теплоносителя:

a= Nu · l / d_э (2.25)

a= 4,3 · 0,461 / 0,0236 = 84 Вт/м² · °С

Основываясь на результатах расчетов, можно сделать вывод о том, что коэффициент теплоотдачи со стороны теплоносителя для обоих режимов работы ССНТГ (теплоснабжение и кондиционирование) имеет одинаковые значения:

a _cp = 84 Bт/м² · °C

Познавательные статьи:



Коммуникативные барьеры и пути их преодоления

Рынок недвижимости. Сущность недвижимости

Решение задач с использованием генеалогического метода

История происхождения и развития детской игры