防冻液分析

)
0.
25
(
S S
1 2
)
0.
2εz
αw
=
N
u
λf
d0
以外表面传热面积为基准的传热公式为 :
k
=
(α1w
+
Rf
+λδppAA—0
+
1 A0 αb Ai
)
-
1
(2) 采用板式换热器
板式换热器采用阿伐拉伐公司生产的人字型
板片 。由于板式换热器作为冷凝器和蒸发器的传
热过程比较复杂 , 目前还没有一个统一的计算公
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314 计算结果
表 4 相同换热面积时不同防冻液的传热能力
循环介质
凝固点温度 夏季传热 冬季传热
( ℃)
能力
能力
水
0
100
8119
乙二醇 416 %
-2
9817
7716
乙二醇 814 %
-4
9810
7711
乙二醇 16 %
-5
9715
7612
乙二醇 1918 %
- 10
9615
7318
氯化钠 7 %
单位理论压缩功 :
w = h2 - h1 = 28 (kJ / kg) 单位质量放热量 :
qk = h2 - h3 = 190 (kJ / kg) 制冷剂的质量流量 :
MR = Φ0/ q0 = 0137 (kg/ s) 冷凝放热量 :
Φk = 0137 ×190 = 7013 (kW) 压缩机的指示效率[2 ] :
- 414
9818
7812
氯化钠 11 %
- 715
ηi = 1 - 016[1 - ( Pk/ P0) - 013 ] = 0184 查文献[3 ] ,压缩机的指示效率 :ηm = 0188 压缩机的耗功量 :
Pe = MR ( h2 - h1) / (ηηi m) = 1410 (kW) 夏季热泵制冷的性能系数 :
COP = Φ0/ Pe = 4129 由此得出换热器的夏季放热量为 7013kW。 (2) 制冷剂冬季计算工况 制冷剂的蒸发温度 t0 = - 5 ℃, 蒸发压力 P0 = 01422MPa ,吸气过热度 5 ℃;冷凝温度 tk = 55 ℃, 冷凝压力 Pk = 21164MPa , 冷凝器过冷度为 2 ℃。 其热力循环如图 2 ,图中各状态点参数见表 2 。
递给水或防冻液 , 水或防冻液不断循环把热量释
放到土壤层中 ,所以该换热器夏季起冷凝器作用 。
冬季将土壤中的热量提取出来传递给制冷剂 , 因
此 ,它起着蒸发器的作用 。换热器的换热量主要
与循环介质 ( 水或防冻液) 的入口温度及流量有
关 。这里假定冬季 、夏季循环介质流量不变 , 夏季
机组入口介质温度为 30 ℃, 冬季入口温度为 5 ℃,
乙醇水溶液具有无毒 、相对无腐蚀 、价格适 中 、使用寿命长等特性 , 但它的导热性能稍差 。由 于它的无腐蚀性使其作为防冻液也比较受欢迎 。
3 传热能力计算
311 计算条件
本文计算的热泵换热器是指和地热换热器相
连的换热器 ,它的一侧为制冷剂 , 另一侧为水或防
冻液 。该换热器夏季通过制冷剂将室内冷负荷传
钙溶液 。 乙二醇水溶液相对安全 、无腐蚀性 、具有较好
的导热性能 、价格适中 ,但使用寿命有限 , 且有毒 。 乙二醇在低温工况下粘度增加 , 这就需要增大泵 的功率 ,从而降低了整个热泵系统的效率 。但地 源热泵系统的最低工作温度一般在 - 10 ℃以上 , 因此 ,比较适合采用乙二醇水溶液作为防冻液 。
常用的防冻液有以下几类 :盐水 (氯化钠和氯
化钙水溶液) 、乙二醇水溶液 、丙三醇水溶液 、三氯 乙稀 、甲醇及乙醇水溶液 、二氯甲烷 、丙酮 、甲醇及 乙醇液体 。
选择防冻液必须考虑如下几种特性 :可燃可 爆性 、有无毒性 、腐蚀性 、导热性 、粘性 、成本 、使用 寿命 。具体选取哪种防冻液主要根据热泵系统的 工作温度 、防冻液的物理化学性质 、传热特性等多 个方面进行经济技术比较 。地源热泵中 , 防冻液 的工作温度一般在 60～ - 10 ℃的范围内 。二氯 甲烷和丙酮这两种介质由于它们的沸点比较低 (40～60 ℃) , 一般在空调系统中不常用 。本文的 重点是分析防冻液的传热特性 , 主要对氯化钠溶 液 、氯化钙溶液 、乙二醇溶液 、丙三醇溶液 、甲醇 、 乙醇液体及甲醇水溶液等几种防冻液进行了传热 计算 。
收稿日期 : 2002 —04 —01 基金项目 : 山东省重大科技攻关项目 (011150105)
© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
48 流 体 机 械 2002 年第 30 卷第 10 期
(1) 制冷剂夏季计算工况
制冷剂夏季设计工况蒸发温度 t0 = 0 ℃, 蒸发 压力 P0 = 01498MPa , 吸气过热度 5 ℃;冷凝温度 tk = 40 ℃,冷凝压力 Pk = 11527MPa ,冷凝器过冷度为 2 ℃。其热力循环如图 1 , 图中各状态点参数见表
1。
表 1 夏季工况制冷剂热力状态点参数
Vol. 30 ,No. 10 ,2002 FLUID MACHINERY 49
同理可计算出冬季蒸发器的吸热量 (即换热
器的换热量) 为 :
Φ0 = MR ( h1 - h4) = 53 ( kW)
压缩机的指示效率 :
ηi = 1 - 0. 6[1 - ( Pk/ P0) - 013 ] = 0177
Vol. 30 ,No. 10 ,2002 FLUID MACHINERY 47
文章编号 : 1005 —0329 (2002) 10 —0047 —04
地源热泵系统中防冻液的传热能力分析
曲云霞1 方肇洪2 张林华2 李安桂1
(11 西安建筑科技大学 ,陕西西安 710055 ; 21 山东建筑工程学院 ,山东济南 250014)
盐类具有安全 、无毒 、导热性好 、价格低 、使用 寿命长等优点 ,但是当有空气存在时 ,对大部分的 金属具有腐蚀性 。虽然地热换热器的管材常采用 聚乙烯塑料管 , 但它仍对热泵换热器产生腐蚀。 盐溶液的最大优点是无毒 、无污染 。在正确选择 金属部件和系统空气被清除干净的情况下 , 盐溶 液是一种很好的防冻液 ,一般常用氯化钠或氯化
图 1 制冷剂夏季循环工况
图 2 制冷剂冬季循环工况
表 2 冬季工况制冷剂热力状态点参数
状态点
1
2
3
4
温度 ( ℃)
0
88
55
-5
压力 (MPa)
01422 21164 21164 01422
焓值 (kJ/ kg)
408
450
264
264
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式 ,本文采用如下公式 。
制冷剂侧冷凝放热系数 :
αb
=
β 01925 (ψdi )
1/
3
制冷剂侧沸腾放热系数 :
αb = 1614ψ0145 P00125
循环工质侧对流放热系数[4] :
N uf
= 011 Ref 016
Prf
0136
(
Prf Prw
)
0125
αw
=
N
u
λf
d0
传热系数的计算公式为 :
循环介质的进出口温差均为 5 ℃。由于冬季制热
工况和夏季制冷工况制冷剂热力循环不同 , 分别
对夏季和冬季的制冷剂循环进行了计算 , 然后以
夏季工况冷凝器的热负荷确定换热器的面积 。以
下设计实例的空调系统夏季冷负荷为 60kW , 制冷
剂采用 R22 , 换热器分别采用壳管式和板式换热
器。
312 计算工况
Abstract : The heat transfer performances of different antifreeze solutions in ground source heat pumps systems are analyzed and com2 pared , which may serve as a reference for designers and manufacturers. Keywords : ground source heat pump ;antifreeze solution ;heat transfer ,evaporator ;condenser
换热量为 6014kW( > 53kW) ,故满足要求 。
制冷剂侧冷凝放热系数[3] :
αb
=
0165
β (ψdi )
1/
3
制冷剂侧沸腾放热系数[3] :
αb
=
112449ψ016
(
vm ) di
012
循环工质侧对流放热系数[4] :
N uf
= 0135 Ref 016
Prf
0136
(
Prf Prw
2 防冻液的种类
地源热泵与地热换热器相连的换热器的介质 入口温度在运行过程中是随时间变化的 , 且与地 下深层岩土在未受干扰时的温度有关 。地下深层 岩土在未受干扰时的温度通常等于当地年平均气 温 ,也可称为当地地温 ,是设计地源热泵系统的重 要参数 。在冬季供热工况下 , 热泵的入口温度一 般取为当地地温减去 8 ～ 11 ℃[1] 。当地温较低 时 ,热泵蒸发器出口处的循环液的温度就会降至 0 ℃以下 。因此 ,循环液中应添加防冻液 。
k
=
(α1w
+
Rf
+λδpp
+
1 αb
)
-
1
当以水作为循环介质时 , 得出夏季换热器面
积为 6m2 ,实际换热量为 7118kW( > 7013kW) ,冬季
的换热量为 4819kW ( < 53kW) 。故在冬季设计工
况下 ,该热泵所能提供的最大理论制热量大约为
6315kW(小于 6818kW) 。
查文献[3 ] ,压缩机的指示效率 ηm = 0185 压缩机的轴功率 :
Pe = MR ( h2 - h1) / (ηηi m) = 23. 74 (kW)
冷凝器的放热量 (即热泵机组冬季所能提供
的理论制热量) :
Φk = 0137 ×186 = 6818 (kW)
冬季热泵的制热系数 :
COP = Φk/ Pe = 2. 90
状态点
0
1
2
3
4
温度 ( ℃)
2
7 67 38 2
压力 (MPa)
01531 01531 11527 11527 01531
焓值 (kJ/ kg)
407 410 438 248 248
单位质量制冷量 : q0 = h1 - h4 = 162 ( kJ / kg)
单位容积制冷量 : qv = q0/ v1 = 3600 (kJ / m3)
1 前言
目前 ,国内外有关地源热泵方面的研究报告 较多 。但大部分都是关于岩土热物性 、地热换热 器的设计计算等方面的研究 , 有关防冻液对热泵 机组性能影响的报告较少 。本文研究的重点是不 同防冻液对换热器换热能力的影响 , 并讨论了针 对不同的土壤温度如何选取防冻液 ; 在采用不同 防冻液时 ,如何设计换热器的换热面积等问题 。
313 计算公式
(1) 采用卧式壳管式换热器
卧式壳管式换热器采用内螺纹光管 , 管外径
为 16mm ,壁厚为 019mm ,四壳程 , 制冷剂在管内流
动 ,循环介质在管外空间流动 , 冬 、夏季对数传热
温差均为 712 ℃,最后通过计算确定换热器的面积
为 8153m2 ,夏季实际换热量为 7318kW , 冬季实际
(3) 换热器计算工况
表 3 换热器计算工况
介质
夏季工况温度 冬季工况温度
( ℃)
( ℃)
介质流量
(kg/ s)
进口 出口 冷凝 进口 出口 蒸发
制冷剂侧 R22 40 38 40 - 5 0 - 5 0137
循环介质 30 35
50
3136
由于换热器的夏季负荷 (7013kW) 大于冬季负 荷 (53kW) ,因此在设计换热器的面积时以夏季负 荷为准 ,即换热器的设计负荷为 7013kW。然后校 核冬季的换热量是否满足要求 。
摘 要 : 计算和分析了在相同条件下不同防冻液用于地源热泵时的传热能力 ,为热泵制造商及设计人员在制造及选用 热泵时提供了参考 。 关键词 : 地源热泵 ;防冻液 ;传热 ;蒸发器 ;冷凝器 中图分类号 : TB6 文献标识码 : A
Heat Transfer Performance of Antifreeze Solutions in Ground source Heat Pump Systems Qu Yunxia Fang Zhaohong Zhang Linhua Li Angui