Расчет коэффициента теплоотдачи
ОТ ГРУНТА К ТЕПЛОНОСИТЕЛЮ
Цель работы
Целью данной работы является расчет коэффициента теплоотдачи от теплоносителя к грунту для режимов кондиционирования и теплоснабжения.
Теоретический материал
Система сбора низкопотенциального тепла грунта (ССНТГ) теплоносителем. В качестве теплоносителя системы принят 35% водный раствор этиленгликоля со следующими теплофизическими характеристиками таблица 16.
Плотность ρ = 1045 кг/м3; температура замерзанияtз = 21 0С;
Таблица 16. Теплофизические характеристики 35% водного раствора этиленгликоля
| Теплофизическая теплоносителя | Температура, t, 0С | |
| Удельная теплоемкость, ср, кДж/кг К | - 10 + 20 | 3,57 3,5 3,65 |
| Коэффициент динамической вязкости, v, м2/с | - 10 + 20 | 7,35 10-6 4,70 10-6 2,35 10-6 |
| Коэффициент теплопроводности, λ, Вт/м К | - 10 + 20 | 0,454 0,465 0,465 |
| Критерий Прандтля, Рг | - 10 + 20 | 37,7 19,2 |
Грунтовый теплообменник (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.
Используются термоскважины или грунтовый теплообменник:
Наружная труба D = 219 ∙ 7,7 мм, сталь;
Внутренняя труба d= 180 ∙ 16,2 мм, полиэтилен.
Определяется эквивалентный диаметр кольцевого канала, м:
dэ = 
Площадь кольцевого канала межтрубной полости,м2:
fk = 
Режим кондиционирования. Суммарная холодопроизводительность ССНТГ принимается равной нагрузке кондиционирования
Q0, кВт. Общее количество термоскважин ССНТГ n = 89.
Холодопроизводительность одной термоскважины:
Q1 = 
,
где n - oбщее количество термоскважин ССНТГ.
Объемный расход теплоносителя через термоскважину, м3/c:
Gv = 
где ρ - плотность теплоносителя, кг/м3; ср - удельная теплоемкость теплоносителя, кДж/кг ∙ К; Δt - разность температур теплоносителя, 0С.
Принимаемая температура входа теплоносителя в термоскважину и выхода из нее: t1 = 15 0С, t2 = 9 0С.
Скорость теплоносителя в кольцевом канале, м/с:
ω = 
Критерий Рейнольдса:
Re = 
,
где v - коэффициент динамической вязкости, м2/с.
Если Re << 2000, то режим течения теплоносителя в кольцевом канале ламинарный, при Re ˃˃ 2000 – турбулентный режим.
Для определения более подробных характеристик теплового взаимодействия и выбора расчетных зависимостей числа Нуссельта, определяются критерии Пекле и Грасгофа.
Критерий Пекле (характеризует соотношение конвективных и кондуктивных потоков тепла при конвективном теплообмене):
Ре = 
Re ∙ Pr
Критерий Грасгофа (характеризует соотношение подъемных сил и сил вязкости):
Gr = 
где g - ускорение свободного падения, м/с2; β - температурный коэффициент объемного расширения жидкости
где ρж - плотность жидкости при температуре потока, кг/м3; ρст - плотность жидкости при температуре стенки, кг/м3; tст - расчетная температура стенки, 0С; tж - расчетная температура потока, 0С).
В связи с тем, что Re << 2000, для определения степени влияния гравитационных сил определяется параметр:
Gr ∙ Pr
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 = 
где ε1 - поправочный коэффициент на гидродинамический начальный участок, ε1 = 1; ψ1 - коэффициент, учитывающий изменение физических свойств потока,
ψ1 = 
где μст - коэффициент динамической вязкости при температуре стенки, Па ∙ с; μж - коэффициент динамической вязкости при температуре потока, Па ∙ с;
Если отношение длины канала к его гидравлическому диаметру 
>> 120, можно принять модель бесконечно длинной трубы.
Для ламинарного течения жидкости в трубах следующее выражение для числа Нуссельта:
Nu = 
Коэффициент теплоотдачи со стороны теплоносителя,
Вт/м2 ∙ 0С:
α = 
Режим теплоснабжения. При работе на режиме теплоснабжения тепловая мощность ССНТГ Q0, кВт.
Тепловая мощность одной термоскважины, кВт:
Q1 = ,
Объемный расход теплоносителя, м3/c:
Gv =
Температуры входа и выхода теплоносителя в термоскважине на режиме теплоснабжения, соответственно t1 = - 3 0С и t2 = -6 0С.
Скорость теплоносителя в кольцевом канале, м/с:
ω =
Определяется Критерий Рейнольдса если Re << 2000 режим течения теплоносителя в кольцевом канале ламинарный и если Re ˃˃ 2000 – турбулентный режим.
Определяется критерий Пекле Ре. Критерий Нуссельта Nu (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.
И для ламинарного течения жидкости в трубах определяется число Нуссельта, Nu.
Коэффициент теплоотдачи со стороны теплоносителя, α,
Вт/м2 0С.
Задание для самостоятельной работы
1. Определить коэффициент теплоотдачи при разных параметрах теплоносителя для кондиционирования.
2. Определить коэффициент теплоотдачи при разных параметрах теплоносителя для теплоснабжения.
3. Как определить коэффициенты: Nu, Ре. Что они характеризуют.
4. Как определить расход теплоносителя в системе.
5. Понятие коаксиалного трубопровода.
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Рей Д., Макмайкл Д. Тепловые насосы. Перевод с анг. М., Энергоиздат, 1982г., 224с.
2. Голубков и др. Кондиционирование воздуха, отопление и вентиляция. М., 1982.232с.
3. Строительные нормы и правила СНиП 2.04.05 – 91* Нормы проектирования. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха. М., 2003. 64с.
4. ГОСТ 12.1.005.-88. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны. М. 1998. 76с.
5. Справочник проектировщика. Внутренние санитарно-технические устройства. 3ч. 4.3. Вентиляция и кондиционирование воздуха. Кн. 1 и 2. Под редакц. Павлова н.Н. и Шиллера Ю.И. 4 изд. М, 1992. 320с.
6. Богословский В.Н., Кокорин О.Я. и Петров Л.В. Кондиционирование воздуха и холодоснабжение. М., 1985. 416.
7. Дуболазова Л.В. Учебное пособие. Основы теории кондиционирования воздуха. Дальрыбвтуз, 2011.152с.
8. Богданов С.Н. и др. Холодильная техника. Свойства веществ. Справочник. М., «Агропромиздат», 1985 г.
9. Теплотехнический справочник под ред. В. Н. Юренева и П.Д. Лебедева, Том 2, М., «Энергия», 1976 г.
10. Тепломассобмен. Справочник. Под ред. А. В. Лыкова, М. Энергия, 1978 г.
11. Ковалев О.П., Шайдуллина В.П. и Дуболазова Л.В. Учебное пособие. Теплонасосные установки. Термодинамические основы, использования. Дальрыбвтуз, 2011.120с.
Приложение 1. Варианты для выполнения практической работы 5.
| № Варианта | t1 0С | j1 % | i1 кДж/кг | t2 0С | j2 % | V1 м3/ч | V2S М3/ч | SQ кВт | Sgw Кг/с |
| 0,0125 | |||||||||
| 0,0125 | |||||||||
| 0,0125 | |||||||||
| 0,0125 | |||||||||
| 0,0125 | |||||||||
| -0,014 | |||||||||
| -0,014 | |||||||||
| -0,014 | |||||||||
| -0,014 | |||||||||
| -15 | -0,014 | ||||||||
| -10 | -0,076 | ||||||||
| -15 | -0,076 | ||||||||
| -20 | -0,076 | ||||||||
| -10 | -0,076 | ||||||||
| -15 | -0,076 | ||||||||
| 0,02 | |||||||||
| 0,02 | |||||||||
| 0,02 | |||||||||
| 0,02 | |||||||||
| 0,02 |
Приложение 2. Высокотемпературные геотермальные тепловые насосы Dimplex.
| Модель | Тепловая мощность,кВт | Электрическая мощность,кВт | Напряжение сети,V |
| SIH 6ME | 6,0 | 1,47 | 1/N/PE 230 V |
| SIH 6TE | 6,1 | 1,37 | 3/N/PE 400 V |
| SIH 9ME | 8,9 | 2,22 | 1/N/PE 230 V |
| SIH 9TE | 8,9 | 2,02 | 3/N/PE 400 V |
| SIH 11ME | 10,7 | 2,36 | 1/N/PE 230 V |
| SIH 11TE | 10,9 | 2,44 | 3/N/PE 400 V |
| SIH 20TE | 21,4 | 4,86 | 3/N/PE 400 V |
| SIH 40TE | 34,2 | 8,35 | 3/N/PE 400 V |
Приложение 3. Высокоэффективные геотермальные тепловые насосы Dimplex.
| Электрическая мощность,кВт | Модель | Тепловая мощность,кВт | Напряжение сети,V |
| 1,3 | SI 6TU | 6,1 | 3/N/PE 400 V |
| 1,67 | SI 8TU | 3/N/PE 400 V | |
| 2,22 | SI 11TU | 3/N/PE 400 V | |
| 2,78 | SI 14TU | 3/N/PE 400 V | |
| 3,72 | SI 18TU | 17,5 | 3/N/PE 400 V |
| 4,93 | SI 22TU | 22,9 | 3/N/PE 400 V |
СОДЕРЖАНИЕ
Введение………..……………………………………………………....3
Цель и задачи лабораторных работ .....................................................3
Практическая работа №1. Термодинамические основы
тепловых насосов …………………………………………………4
Задание для самостоятельной работы………………………....11
Практическая работа №2. Типы тепловых насосов. …………..
Задание для самостоятельной работы…………………………21
Практическая работа №3. Тепловой расчет поршневого компрессора. ………………………………………………..……21
Задание для самостоятельной работы…………………………26
Практическая работа №4. Определение состояния воздуха на d – I диаграмме влажного воздуха………………………….27
Задание для самостоятельной работы…………………………30
Практическая работа №5.Подбор кондиционера «тепловой насос» типа «воздух – воздух». ………………………………..31
Задание для самостоятельной работы…………………………34
Практическая работа №6.Расчет земляного коллектора
и вертикального зонда теплового насоса. ………………..….35
Задание для самостоятельной работы…………………………46
Практическая работа №7.Расчет коэффициента
теплоотдачи от теплоносителя к грунту………………………46
Задание для самостоятельной работы…………………………51
Список литературы. ……………………………………………….…52
Приложения. …………………………………………...…………….53
Содержание ………………………………..………………….……...55