2013年暖通工程師考試專業(yè)輔導(dǎo)資料一
地源熱泵埋管系統(tǒng)的管徑選擇及水力和換熱計算
1.管徑的選擇原則
在選擇和設(shè)計管徑時應(yīng)考慮如下問題:
?、購倪\行費上考慮管徑越大越好,以降低泵的輸送功率,減少平時的運行費;②從初投資上考慮管徑不能太大,必須保證管內(nèi)流體處于紊流區(qū)(Re≥2100),以增加流體與塑料管壁的換熱系數(shù);③系統(tǒng)環(huán)路長度不要太長;④不同的流體對阻力和換熱都有影響,因此選擇管徑時應(yīng)特別加以注意。
綜合考慮,推薦采用薄壁小管徑管子,并聯(lián)布置方案。
2.埋管內(nèi)工作流體
在國內(nèi)南方地區(qū),由于地溫高,冬季地下埋管進(jìn)水溫度在0℃以上,因此多采用水作為工作流體;北方地區(qū),冬季地溫低,地下埋管進(jìn)水溫度一般均低于0℃,因此一般均需使用防凍液。防凍液一般應(yīng)具有使用安全、無毒、無腐蝕性、導(dǎo)熱性好、成本低、壽命長等特點。目前應(yīng)用較多的有:①鹽類溶液――氯化鈣和氯化鈉水溶液;②乙二醇水溶液;③酒精水溶液等。
一般來說,鹽溶液具有安全、無毒、無污染、導(dǎo)熱性能好、價格低、使用壽命長等優(yōu)點,其缺點是系統(tǒng)有空氣存在時,對大部分金屬具有腐蝕性。在正確選用管材、部件和系統(tǒng)內(nèi)空氣被排除干凈的情況下,鹽溶液是一種很好的防凍液。
乙二醇水溶液相對安全、無腐蝕性,具有較好的導(dǎo)熱性能,價格適中,但使用壽命有限,且有毒。
酒精水溶液具有無腐蝕性、較好的導(dǎo)熱性、價格適中、使用壽命長等優(yōu)點,缺點是有爆炸性和毒性。在使用酒精之前應(yīng)用水將其稀釋,以降低其爆炸的可能性,由于其無腐蝕性,作為防凍液很受歡迎。
3.最小管內(nèi)流速(流量)
臨界雷諾數(shù)
2 000為紊流,Re<2 000為層流。根據(jù)Re=Vdi/v,Vk=Rekν/di和Qk=πdi2/4 Vk 600的計算公式,可求出上述三種流體在不同管徑下的最小流速,即最小流量。
上述公式中符號,Re――雷諾數(shù);V、Vk――流速;臨界流速,m/s;Qk――臨界流量,m3/h;di――管內(nèi)徑,m;ν――運動粘帶性系數(shù),m2/s。
在相同管徑、相同流速下,其雷諾數(shù)大小依次為水、CaCl2水溶液、乙二醇水溶液,其臨界流速比為1:2.12:2.45。說明采用CaCl2和乙二醇水溶液時,為了保證管內(nèi)的紊流流動,與水相比需采用大的流速和流量。
4.不同流體管內(nèi)換熱系數(shù)aw (w/m2•k)計算
當(dāng)Re>104時,其流體側(cè)換熱系數(shù)aw可用下式計算,即:
aw=β=0.021(1)
當(dāng)2 100
上面公式中符號意義、單位同前。從表中看出在相同流速、相同管徑下,水的換熱系數(shù)最大。其大小排序為水、CaCl2水溶液、乙二醇水溶液,其具體比值與管徑和流速有關(guān),其大小比值為1:0.47~0.62:0.41~0.56。
管路沿程阻力hf(kPa/100m)計算
計算公式為:
hf=λ=λ(2)
式中:λ――沿程摩擦阻力系數(shù);L――管長度,m。
由于地下埋管換熱器內(nèi)流動一般均在紊流或紊流光滑(過渡)區(qū)內(nèi),即2 100
幾種流體在不同流速、不同管徑下的hf見表3。從表3看出,在相同管徑、相同流量下,CaCl2水溶液的hf為水的1.44倍;乙二醇水溶液的hf為水的1.28倍。
5.有關(guān)水流量和壓力損失的推薦值
?、俚叵侣窆軗Q熱器環(huán)路壓力損失限制在30~50kPa/100m為好,最大不超過50kPa/100m。
②地下埋管系統(tǒng)單位冷噸(1冷噸=3024kcal/h=3.52kW)水流量控制在0.16~0.19L/s•t(0.045~0.054L/s•kW或2.7~3.24L/min•kW)為好,大于0.19L/s•t(3.24L/min•kW),泵的消耗功率顯著上升。
③循環(huán)水泵消耗功率P與熱泵容量名義冷噸之比控制在50~75W/熱泵能力冷噸(14.2~21.3W/kW)為好。
④不同管徑下的埋管深度及最小鉆孔孔徑推薦值見表7。
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