Задание для самостоятельной работы

1. Назвать низкопотенциальные источники тепловых насосов.

2. Сделать расчет коллектора для одного из грунтов:

Сухая песчаная почва q = 15 Вт/м²;

Влажная песчаная почва q = 20 Вт/м²;

Сухая глинистая почва q = 25 Вт/м²;

Влажная глинистая почва q = 30 Вт/м2

Почва с грунтовыми водами q = 35 Вт/м².

3. Принцип прокладки горизонтального коллектора и вертикального зонда.

4. С чего складывается мощность теплового насоса.

5. Объем теплоносителя циркулирующего в коллекторе от чего зависит.

Практическая работа №7 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 замерзания t_з = 21 ⁰С;

Таблица 16. Теплофизические характеристики 35% водного раствора этиленгликоля

Теплофизическая теплоносителя	Температура, t, 0С
Удельная теплоемкость, ср, кДж/кг К	- 10 0 + 20	3,57 3,5 3,65
Коэффициент динамической вязкости, v, м2/с	- 10 0 + 20	7,35 10-6 4,70 10-6 2,35 10-6
Коэффициент теплопроводности, λ, Вт/м К	- 10 0 + 20	0,454 0,465 0,465
Критерий Прандтля, Рг	- 10 0 + 20	60 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:

d_э =

Площадь кольцевого канала межтрубной полости,м²:

f_k =

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:

G_v =

где ρ - плотность теплоносителя, кг/м³; с_р - 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 ρ_ж - плотность жидкости при температуре потока, кг/м³; ρ_ст - плотность жидкости при температуре стенки, кг/м³; t_ст - расчетная температура стенки, ⁰С; t_ж - 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 μ_ст - коэффициент динамической вязкости при температуре стенки, Па ∙ с; μ_ж - 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:

G_v =

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/м^{2 0}С.