2013年暖通工程师考试专业辅导资料一

　　地源热泵埋管系统的管径选择及水力和换热计算

　　1.管径的选择原则

　　在选择和设计管径时应考虑如下问题：

　　①从运行费上考虑管径越大越好，以降低泵的输送功率，减少平时的运行费;②从初投资上考虑管径不能太大，必须保证管内流体处于紊流区(Re≥2100)，以增加流体与塑料管壁的换热系数;③系统环路长度不要太长;④不同的流体对阻力和换热都有影响，因此选择管径时应特别加以注意。

　　综合考虑，推荐采用薄壁小管径管子，并联布置方案。

　　2.埋管内工作流体

　　在国内南方地区，由于地温高，冬季地下埋管进水温度在0℃以上，因此多采用水作为工作流体;北方地区，冬季地温低，地下埋管进水温度一般均低于0℃，因此一般均需使用防冻液。防冻液一般应具有使用安全、无毒、无腐蚀性、导热性好、成本低、寿命长等特点。目前应用较多的有：①盐类溶液――氯化钙和氯化钠水溶液;②乙二醇水溶液;③酒精水溶液等。

　　一般来说，盐溶液具有安全、无毒、无污染、导热性能好、价格低、使用寿命长等优点，其缺点是系统有空气存在时，对大部分金属具有腐蚀性。在正确选用管材、部件和系统内空气被排除干净的情况下，盐溶液是一种很好的防冻液。

　　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。

　　酒精水溶液具有无腐蚀性、较好的导热性、价格适中、使用寿命长等优点，缺点是有爆炸性和毒性。在使用酒精之前应用水将其稀释，以降低其爆炸的可能性，由于其无腐蚀性，作为防冻液很受欢迎。

　　3.最小管内流速(流量)

　　临界雷诺数

　　2 000为紊流，Re<2 000为层流。根据Re=Vdi/v，Vk=Rekν/di和Qk=πdi2/4　Vk　 600的计算公式，可求出上述三种流体在不同管径下的最小流速，即最小流量。

　　上述公式中符号，Re――雷诺数;V、Vk――流速;临界流速，m/s;Qk――临界流量，m3/h;di――管内径，m;ν――运动粘带性系数，m2/s。

　　在相同管径、相同流速下，其雷诺数大小依次为水、CaCl2水溶液、乙二醇水溶液，其临界流速比为1：2.12：2.45。说明采用CaCl2和乙二醇水溶液时，为了保证管内的紊流流动，与水相比需采用大的流速和流量。

　　4.不同流体管内换热系数aw (w/m2•k)计算

　　当Re>104时，其流体侧换热系数aw可用下式计算，即：

　　aw=β=0.021(1)

　　当2 100

　　上面公式中符号意义、单位同前。从表中看出在相同流速、相同管径下，水的换热系数最大。其大小排序为水、CaCl2水溶液、乙二醇水溶液，其具体比值与管径和流速有关，其大小比值为1：0.47～0.62：0.41～0.56。

　　管路沿程阻力hf(kPa/100m)计算

　　计算公式为：

　　hf=λ=λ(2)

　　式中：λ――沿程摩擦阻力系数;L――管长度，m。

　　由于地下埋管换热器内流动一般均在紊流或紊流光滑(过渡)区内，即2 100

　　几种流体在不同流速、不同管径下的hf见表3。从表3看出，在相同管径、相同流量下，CaCl2水溶液的hf为水的1.44倍;乙二醇水溶液的hf为水的1.28倍。

　　5.有关水流量和压力损失的推荐值

　　①地下埋管换热器环路压力损失限制在30～50kPa/100m为好，最大不超过50kPa/100m。

　　②地下埋管系统单位冷吨(1冷吨=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)为好，大于0.19L/s•t(3.24L/min•kW)，泵的消耗功率显著上升。

　　③循环水泵消耗功率P与热泵容量名义冷吨之比控制在50～75W/热泵能力冷吨(14.2～21.3W/kW)为好。

　　④不同管径下的埋管深度及最小钻孔孔径推荐值见表7。