Теплогазоснабжение, вентиляция

К.т.н., доц. Петросян А.Л., Барсегян Л.Б.

Армянский национальный университет архитектуры и строительства

МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ УСТАНОВОК “ТЕПЛОВОЙ НАСОС - ВЕРТИКАЛЬНИЙ ГРУНТОВОЙ ТЕПЛООБМЕННИК”

Для нужд систем теплохладоснабжения (СТХС) жилых зданий и сооружений, в условиях истощения природных ресурсов органического топлива, следует использовать более экономичные и экологически чистые, автономные источники теплоты и холода, в частности тепловые насосы (ТН), использующих теплоту грунта. Последнее явялется тепловым аккумулятором неограниченной емкости, тепловой режим которой формируется под воздействием солнечной радиации и потока радиогенной теплоты, поступающей из земных недр. Однако использование этой теплоты затруднено из - за ряда теплотехнических и технических причин. Если первое обусловлено, в основном, теплофизическими свойствами грунта, спецификой работы ТН, то второе обусловлено техническими трудностями изятия этой теплоты и с полнотой использования для нужд СТХС. При теплосборе, согласно [1], грунт остывает, как в течение отопительного сезона, так и за годы эксплуатации, однако, после 5 лет работы, тепловой и температурный режим вокруг ГТО восстанавливаются. Поскольку эти изменения незначительны, то, для инженерных расчетов, тепловой и температурный режим вокруг ГТО можно считать стационарным и на основе этого определить основные параметры ГТО и ТН, дать инженерную оценку источника теплоты для нужд СТХС – установки “ТН – вертикальний ГТО”.

Целью данного материала является выявление взаимосвязи теплотехнических показателей ГТО и энергетических характеристик ТН при стационарном режиме теплопередачи путем разработки инженерного метода для определения величины теплосбора от грунта при помощи вертикального ГТО, когда приняты соответствующие размеры и известны теплотехнические характеристики грунта и хладоносителя, оценить ход изменения коэффициента преобразования установки. Далее, на основе разработанного метода, оценить ход изменения теплового состояния грунта за отопительный сезон, изучить температурные режимы в различных глубинах грунта, изыскать технические возможности восстановления теплового равновесия грунта.

Согласно [2], если имеем вертикальный цилиндр с изолированным верхним торцом в полуограниченном массиве, то полное термическое сопротивление, с учетом теплоотдачи на контурах, в град. ( )/ Вт, можно определить выражением:

, (1)

Приняв, что цилиндром является ГТО и по нему циркулирует хладоноситель, температура которой намного ниже температуры грунта, то, имея глубину заложения ГТО , м, теплопроводность грунта - , Вт/м. , приняв диаметры наружной и внутренной труб , имеем простой коаксиальный [1] ГТО, можем определить коэффициент теплоотдачи хладоносителя в полости, образованной между наружной и внутренной трубами, задаваясь значением коэффициента теплоотдачи на поверхности грунта между наружным воздухом и поверхностью грунта - Вт / м² . .

Коэффициент теплоотдачи между хладоносителем и внутренней поверхностью наружной трубы определяем выражением: , (2)

Задаваясь значением 0.23 до 4.0 Вт / м. и определяя эквивалентный

диаметр - , образованный между наружней и внутренней трубами, формулой:

, (3)

а критерию Нюсельда - для указанного типа ГТО, согласно [3], можно определить формулой: , (4)

Пользуясь формулами (1…4), следует определить полное термическое сопротивление , а затем и величину теплосбора от грунта к хладоносителю в ГТО, при температуре грунта на данной глубине и хладоносителя : , (5)

Температура грунта зависит от глубины ГТО , м, географической местности [1], a температуру хладоносителя можно задать, исходя из энергоэффективной работы ТНУ. Подача хладоносителя, после выхода из испарителя ТН, в ГТО осуществляется по внутреннему трубопроводу, а затем по полости между наружной и внутренней трубой. С изменением глубины ГТО, изменяется температура грунта, что и означает - отнятая теплота. Поэтому для определения этой теплоты в следующем участке (по высоте трубы) следует определить перепад температуры в участке, а затем и температуру хладоносителя в конце участка. Это означает, что для начального участка, когда хладоноситель переходит из внутренного трубопровода в наружное, имеем: .

Температурный градиент грунта, согласно [4], изменяется от 0.5…1 до 20 и в среднем, на каждое 100 м может составить до 3 . Характер изменения температуры грунта можно представить в виде функции = -0.0004 , = 0.0786 + 5.3571(последнее характерно для условий РА).

Имея числовые значения указанных величин, можно определить формулой (5) для началного участка ГТО, когда имеем глубину и . Затем определяем температуру хладоноситея в конце этого участка (участок образуется в зависимости от изменения температуры грунта ) выражением:

, (6)

где - удельная теплоемкость (кДж / кг. ) и массовый расход хладоносителя на данном участке (кг/с).

Для следующего участка имеем - и т.д.

Изучим характер изменения энергетического показателя ТНУ- коэффициента преобразования от выше изложенных факторов. это соотношение выработанной за счет теплоты и требуемой электрической мощности электродвигателя компрессора ТН [5]: , (7)

зависит от ряда факторов: от типа хладона и компрессора, термодинамического совершенства цикла и процесса сжатия хладагента в компрессоре, теплопроизводительности ТН, температурных режимов - температуры конденсации и испарения . которые, в свою очередь, зависят от температуры теплопотребления и температуры низкопотенциальной теплоты . Опредление производилась фирменной компютерной программой “BITZER Software 6. 4. 4” для одной ГТО с максимальмым теплосбором до 25 кВт, а ТН имеет полугерметичный поршневой компрессор.

Принципиальная схема установки и вертикальной ГТО представлена на рис. 1 а, б. В схеме представлены: ТН (I), вертикальний ГТО (II), баки аккумуляторы (III) хладо- и (IY) теплоносителя, насосы циркуляции (Y и YI), подающие (YII) и обратные (YIII) теплопроводы для подачи теплоты в зданиям района.

Рис. 1 а. Принципиальные схемы установки “ТНУ - вертикальный ГТО”, б. вертикальний ГТО для сбора теплоты грунта.

Из схемы видно, что в данном случае, фактический коэффициент преобразования установки “ТН - вертикальный ГТО” определится выражением:

,

где , - электрические мощности электродвигателей насосов циркуляции хладо- и теплоносителя, кВт.

зависит от создаваемого напора , Па, для циркуляции хладоноситея, а напор изменяется в зависимости от геометрических размеров ГТО, теплофизических свойств хладоноситея, а также от массового расхода и объемной производительности, определяемой формулой: , м³ / с. рассчитывается в каждом случае для - его участка.

Поскольку электрическая мощность электродвигателя насоса циркуляции теплоносителя не зависит от изменения вышеизложенных процессов и величин, то числовое значение и изменение этой величины в расчетах не учитывается. Изучены циклы ТН с параметрами: температура теплового потребителя - конденсации хладагента - , температура грунта изменяется по глубине. Изменения температуру хладоносителя: , а соответствующие температуры испарения составят: . Это делается с целью выявления оптимальной температуры хладоносителя .

По изложенному методу можно определить величины, характеризующие ГТО, если имеем или задались следующими величинами: геометрические размеры ГТО - , теплофизические характеристики материалов труб и хладоносителя, грунта - , , скорость течения хладоносителя - , изменение температуры грунта, в зависимости от глубины ГТО, и хладоносителя, в зависимости от температуры испарения хладагента в испарителе ТН, и т.д. В последующих расчетах приняты следующие значения указанных величин: хладоноситель - этил – глюколь, м, , м, , м / с, ,

Проводимые расчеты в последующем будут систематизированы по признаком:

а. изменение размеров ГТО,

б. изменение теплотехнических характеристик грунта и материала труб,

в. изменение температур хладоносителя и температуры испарения хладагента.

Имея значения величин, проведены соответствующие расчеты для выявления основных факторов, влияющих на процесс теплопередачи от грунта к хладоносителю.

Результаты расчетов, проведенных по изложенной методе, представлены в виде графиков на рис 2. Из результатов следует, что с увеличением глубины ГТО, теплота теплосбора неизменно возрастает из – за уменьшения в 7 раза за счет увеличения и температурного перепада между грунтом и хладоносителем на 10 : от 14,63 становится 24 .

Поскольку грунт в регионе имеет среднюю влажность, то и величена , как следует из формулы (6), во многом зависит , а последнее - от диаметра наружной трубы и глубины ГТО, поэтому рассмотрены варианты увеличения диаметра наружной трубы - м, если м. Проведя расчеты, получили: при м уменьшается, по сравнению с прежным вариантом, на 5.2…6.8%-ов, а составляет Вт или увеличивается на 5.3%. При м прирост составляет: 9.4 и 13%. Влияние диаметра наружной трубы на теплосбора от грунта на параметры установки “ТН - вертикальной ГТО” следующее. Для варианта с имеем: потери трения при транспортировке хладоноситея; а также требуемая мощность на приводы насоса - кВт. Характеристики ТНУ следующие: .

Для выявления влияния температуры испарения на процесс теплосбора с ГТО, рассмотрены варианты при , при

Рис. 2. График изменения основных параметров установки “ТН – вертикальный ГТО” в зависимости от диаметра наружной трубы ГТО, если и .

м. Результаты представлены в виде кривых изменения на рис.3.

Рис. 3. Изменение коэффициента преобразования установки “ТН - вертикальний ГТО” в зависимости от изменения температуры испарения - при м и

Из анализа кривых на рис. 3 следует, что при неизменных входных параметрах и указанных м, , при температурах испарения - , с энергетической точки зрения, наиболее благоприятным является , а потом и . Одновременно следует, что если и м, тоже имеем скачок. Из этого следует, что наибольшей энергоэффективности установка “ТН – вертикальний ГТО” может достичь при температуре испарения хладагента , а при температуре испарения - при диаметре наружной трубы ГТО - м.

В правильности разработанной методики можно удоставерится сравнив полученные расчетом удельные теплосборы с данными, приведенные в [1]. Если м, м, и для выше указанных условий удельные теплосборы составляют 83…84 Вт / пог. М, a при 121…137 Вт / пог. м. В [1] приведены данные для образных ГТО, с меньшей глубиной, значении удельных теплосборов составляют 27…78 Вт / пог. м. Расхождение, на наш взгляд, обусловлено температурой хладоносителя, глубиной ГТО и теплопроводностю грунта, о значениях которых в [1], нет подробной информации. Изучая другие глубины ГТО, получены следующие результаты. Удельные теплосборы, если м, составляют 59…70 Вт / пог. м, а при м - 60.4…72.4 Вт / пог. м. Эти значении удельных теплосборов уже совпадают с данными, приведенных в [1].

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ:

- разработанный метод расчета установки “ТН - вертикальний ГТО” дает возможность определения основных параметров и энергетических показателей установки при стационарном процессе теплопередачи, заданных геометрических размерах ГТО, тепофизических показателях грунта, хладоносителя, хладагента и энергетического совершенства компрессоров и циклов, применяемых в ТН,

- для повышения энергетических показателей ГТО следует увеличить поверхность теплообмена увеличением геометрических параметров ГТО - и глубины заложения ,

- при обеспечении теплосъема до 12 кВт с одной скважины потребуются трубы с м и , м, при теплосборе до 22 кВт с одной скважины: , , м.

- наибольшей энергоэффективности установки “ТНУ - вертикальной ГТО” можно достичь при температуре испарения хладагента ,

Использованная литература:

1. Васильев Г.П. Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли: монография, - М.: Издательский дом “Граница”, 2006, -176с.,ил.

2- Кутателадзе С. С. Теплопередача и гидродинамическое сопративление. Справочное пособие. – М, Энергоатомиздат, 1990. -367с.

3. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. – М. Энергия, 1973. 320 с.

4. Геотермический градиент — Векипедия, 27.2.2014.