Расчет трубопроводов. 
Тепловой насос для отопления дома

Длинна фреонопровода составляет 10 метров 5 метров жидкостной линии и 5 метров газовой линии. Местные сопротивления на фреонопроводе: задвижки, повороты обратные клапаны.

Произведем расчет трубопровода с расчетом диаметров труб и перепадов давления. Ниже представлена методика расчета потерь и диаметров трубопровода исходя из производительности компрессора. Результаты расчетов сведены в таблице 5.2.

Площадь поперечного сечения трубы:

(5.5).

где V — объёмный расход жидкости, м3/с;

w — средняя скорость в сечении, м/с.

Массовый расход G определяется по следующей формуле (и одинаков для характерных участков трубопровода):

(5.6).

Объемный расход:

(5.7).

где — плотность фреона при данной температуре, кг/м³.

Разность энтальпий определяется по диаграмме при построении цикла холодильной машины и соответствует удельной холодопроизводительности.

Внутренний диаметр круглой трубы можно рассчитать по формуле:

(5.8).

После определения диаметра выбирают величину приблизительно равную величине полученной расчётом.

При движении по системе любой среды происходят потери давления: на трение о стенки трубы и в местных сопротивлениях (повороты, задвижки, ответвления, перемена сечения трубопроводов и т. д.).

Потери давления на трение:

(5.9).

где лтр — коэффициент трения (безразмерная величина), значение которого зависит от шероховатости трубы и режима течения, который в свою очередь, характеризуется числом Re (число Рейнольдса);

где м — динамическая вязкость жидкости, Пас;

с· щ2/2 — динамическое (скоростное) давление, Па.

l — длинна рассчитываемого участка трубопровода.

Коэффициент трения:

(5.11).

где к — шероховатость труб, значения которой принимают: для новых гладких труб из латуни и меди к=0,1 м; для новых стальных труб к=0,6 м, а после нескольких лет эксплуатации к=0,0002 м, для стальных труб в рассольных системах к=0,0005 м. Потери давления в местных сопротивлениях, определяют по формуле:

(5.12).

где ом — коэффициент местного сопротивления;

с· щ2/2 — динамическое (скоростное) давление потока, Па.

Полная потеря давления на участке трубопровода:

(5.13).

Таблица 5.2 — Трубопровод теплового насоса.

Расчет грунтового коллектора Грунтовой коллектор, этот вид теплообменника не является самым лучшим вариантом по энергоэффективности, так как температура кипения ниже чем у водяного, но у него есть и свои плюсы. Основным его преимуществом является то, что ты не подвязан к колебаниям уровня воды. Еще одним важным требованием является экологическая составляющая, которая тут не такая серьезная как с водяным теплообменником.

Под поверхностным грунтовым источником тепла понимают верхний слой земли глубиной до 2 м. Извлечение тепла производится с помощью теплообменника, который укладывается на незастроенном участке вблизи отапливаемого здания. Тепло грунта, важное для отбора тепла, представляет собой аккумулированную солнечную энергию, которая поступает в грунт при прямой инсоляции, путем теплопередачи из воздуха и с осадками. Эти факторы служат также источником энергии для быстрой регенерации захоложенного грунта после отопительного периода. Перетекающее из нижних слоев наверх тепло имеет величину лишь от 0,05 до 0,12 Вт/мІ и может пренебрегаться как источник тепла для верхних слоев. Пригодное к использованию количество теплоты и, таким образом, размер требуемого участка сильно зависят от термофизических свойств грунта и от энергии инсоляции, т. е. от климатических условий. Такие термические свойства, как объемная теплоемкость и теплопроводность, сильно зависят от состава и структуры грунта. Определяющими факторами здесь, прежде всего, являются доля воды, доли минеральных компонентов типа кварца или полевого шпата, а также доля и размеры заполненных воздухом пор. Упрощенно можно сказать, что аккумулирующие свойства и теплопроводность тем больше, чем больше почва обогащена водой, чем выше доля минеральных компонентов и чем меньше доля пор. Отбираемая тепловая мощность для грунта зависит от качества почвы и лежит между 10 и 40 Вт/мІ при шаге укладки между 0,6 и 1,0 м и глубине укладки от 1,2 до 1,5 м. Для использования грунта в качестве источника тепла в грунт укладываются пластмассовые змеевики (грунтовые коллекторы), в которых циркулирует среда-теплоноситель. Смесь переносит отбираемое у грунта тепло к тепловому насосу. Используемая среда-теплоноситель должна обеспечивать достаточную стойкость к замораживанию. Кроме того, при возможной негерметичности не должна возникать угроза для грунтовых вод. Этим свойством обладает антифриз на основе этиленгликоля. Он был специально разработан для переноса тепла и защиты от мороза и коррозии в установках с тепловыми насосами.

Отбираемая тепловая мощность:

для сухого несвязанного грунта qE = 10−15 Вт/мІ.

для влажного связанного грунта qE = 15−20 Вт/мІ.

для очень влажного связанного грунта qE = 20−25 Вт/мІ.

для насыщенного водой грунта qE = 25−30 Вт/мІ.

для водоносного грунта qE = 30−40 Вт/мІ.

Из теплопотребления дома и структуры грунта получается площадь земельного участка. Требуемая площадь определяется по охлаждающей способности Q₀ теплового насоса. Охлаждающая способность теплового насоса является разностью отопительной мощности Q_к и потребляемой мощностью P.

(5.14).

Тепловой насос имеет при температуре источника тепла 0 °C и температуре в подающем трубопроводе системы отопления +50 °C отопительную мощность 12,1 кВт, холодопроизводительность 9,4 кВт и потребляемую мощность 2,7 кВт. Площадь под грунтовой коллектор определяется по формуле:

(5.15).

При удельной отбираемой тепловой мощности qE порядка 15 Вт/мІ получается площадь земли:

м²;

Минимально необходимая длинна труб в коллекторе определяется по формуле:

(5.16).

где H — шаг между трубами.

При шаге между трубами 0,75 м, получается следующая длина трубы:

;

что соответствует пяти трубным контурам длиной по 100 м.

Укладка труб.

Пластмассовые трубы укладываются на глубине от 1,2 до 1,5 м в виде нескольких контуров. Шаг укладки зависит от структуры почвы и должен составлять величину от 0,6 м до 1,0 м, чтобы образующиеся радиусы льда не смыкались, и дождевая вода могла инфильтровать. Укладка труб при новом строительстве может осуществляться в ходе проведения необходимых земляных работ.

Потери напора.

Чтобы определить потери напора в коллекторе нужно знать расход воды в коллекторе. Для определения расхода воды воспользуемся формулой:

(5.17).

где G — это расход гликоля в кг/с,.

Q — холодопроизводительность в кВт, с — теплоемкость гликоля в кДж/кг°С,.

t — перепад температуры гликоля на входе и выходе из испорителя в °С.

Холодопроизводительность данной установки 9,4 кВт. Теплоемкость 3,72 кДж/кг°С. Перепад температур 5 °C. Расход при данных условиях равняется 0,42 кг/с, или 1,512 м3/час, или 0,42 м3/с.

Потеря напора, связанная с преодолением сил трения при течении жидкости в трубе, определяется уравнением:

(5.18).

Где L — длина трубопровода, м;

D — внутренний диаметр трубы, м;

— плотность жидкости, кг/м3;

w — средняя объемная скорость, м/сек, определяемая по расходу Q, м3/сек:

(5.19).

л — коэффициент гидравлического трения, безразмерная величина, характеризующая соотношение сил трения и инерции, и именно ее определение и есть предмет гидравлического расчета трубопровода. Коэффициент трения зависит от режима течения, и для ламинарного и турбулентного потока определяется по-разному.

Скорость течения жидкости равняется 1,34 м/с. Найдем число Рейнольдса для определения гидравлического сопротивления:

(5.20).

где — скорость потока жидкости, м/с;

D — внутренний диаметр трубы, то есть диаметр потока жидкости, м;

н — кинематическая вязкость.

Данные по кинематической вязкости рассчитаны и сведены в таблицы. Для данных расчетов эта величина равняется. Внутренний диаметр трубы равняется 0,02 м.

Подставив значения, мы получаем:

Течение турбулентное. Коэффициент трения также очень точно определяется классическим уравнением Блязиуса:

(5.21).

Коэффициент трения равняется:

.

При длине трубопровода в 220 метров (берется длина самого длинного участка трубопровода) потери давления в трубопроводе равняются 323,6 кПа. Это соответствует потере напора на 33 метр.

Для грунтового коллектора выбран насос Grundfos CMЕ3−9 с напором 37,8 метров и расходом 1.51 м3/час.

По таким же формулам рассчитаем потире напора в системе отопления дома и подберем необходимый насос. Также зададимся расходом в 1,5 м³/час (необходимый расход для корректной работы фанкойлов 1 м³/час, берем расход с запасом так как в более холодные периоды система отопления не справится).

Потери напора на 70 метрах трубопровода составят 10 метров.

Подбираем насос Grundfos TPE40−190/2S c напором 14 метров.

В системе теплый пол длинна трубопровода составляет 140 метров. На этой длине трубопровода и с расходом в 1,5 м³/час потери напора составляют 17 метров. Для данной системы подобран насос Grundfos CMЕ3−7 с напором в 20 метров при расходе 1,5 м³/час.

В остальных двух теплообменниках потери напора в каждом контуре не превышают 2 метров, поэтому туда мы устанавливаем два небольших насоса Grundfos UPS25−40 c напором в 4 метра.