Ground source heat pumps are very popular in the Nordic countries. The method of exchanging heat with the ground is based on the principle that a secondary fluid is circulating through a U-pipe borehole heat exchanger inserted into energy wells. Water is a very good secondary fluid, but aqueous solutions of ethanol are recommended in Sweden as a secondary fluid for such application. One reason is the fact that addition of ethanol decreases the freezing point of the fluid, which is preferred since many borehole heat exchangers in Sweden operate at the temperatures below or near the freezing point of water. Recently, the usage of adsorption type corrosion inhibitors has increased in different contexts, but no recommendation has been made regarding aqueous solutions of ethanol used in the different indirect refrigeration systems and heat pumps. These corrosion inhibitors can influence the thermophysical properties of the secondary fluid, and thereby affect the performance of the borehole heat exchanger in terms of the hydraulic and thermal performance. These not defined effects of adding corrosion inhibitors could cause uncertainties in the design and operation of the ground source heat pump. The thermophysical properties density, freezing point, dynamic viscosity, thermal conductivity and the specific heat capacity of seven aqueous solutions of ethanol (30 wt-%) with addition of different corrosion inhibitors are experimentally studied in this report. Moreover, a pure mixture of ethanol and water with the same weight concentration is studied and compared with the reference data. The suitable mixtures showing the most optimum properties in terms of low dynamic viscosity and high thermal conductivity and specific heat capacity for the borehole heat exchanger application were compared with the thermophysical properties of the secondary fluid commonly used nowadays in Sweden. The results indicate that the solutions including the corrosion inhibitors: 1H-benzotriazole and sodium gluconate indicate promising thermal properties in comparison with the pure mixture of ethanol with the same weight percentage. Furthermore, the results indicate that further studies on corrosion inhibitors added to aqueous solutions of ethanol with lower weight percentage may prove to be more effective as replacement for the denaturing agents in comparison with the field sample (20 wt-% ethanol with denaturing agents). / Användning av bergvärmepumpar är vanligt i de Nordiska länderna. Metoden att utvinna energi från marken består normalt av en köldbärare som cirkulerar genom ett U-format rör som leds genom en borrhålsvärmeväxlare. Vatten är vanligtvis en effektiv köldbärare, men i Sverige rekommenderas etanolbaserade vattenlösningar som tillämpning av köldbärare i bergvärmesystem. En anledning är att tillsatser av etanol sänker köldbärarens fryspunkt, vilket är att föredra och då många bergvärmesystem i Sverige har en drifttemperatur nära eller under fryspunkten hos vatten. Nyligen har adsorberande korrosionsinhibitorer börjat tillämpas i olika sammanhang, men inga rekommendationer finns vad gäller etanolbaserade vattenlösningar och dess implementering i värmeväxlare. Dessa korrosionsinhibitorer kan påverka köldbärarens termofysikaliska egenskaper och därmed inverka på prestanda hos borrhålsvärmeväxlaren sett till hydrauliska och termiska processer. De odefinierade effekterna av tillsats utav köldbärare riskerar att skapa osäkerhet kring dimensionering och användning av bergvärmepumpen. I rapporten undersöks alternativa etanolbaserade köldbärare med korrosionsinhibitorer för användning i U-formade borrhålsvärmeväxlare i bergvärmepumpar. Studien genomfördes laborativt i KTH:s Energiteknik på Brinellvägen 68 i Stockholm genom att undersöka dynamisk viskositet, densitet, specifik värmekapacitet, fryspunkt och värmeledningsförmåga för åtta köldbärare bestående av 30 vikt-% etanol varav sju innehöll korrosionsinhibitorer. Genom att jämföra de fem termofysikaliska egenskaperna för vätskorna innehållandes korrosionsinhibitorer med en etanolblandning utan tillsatser konstaterades att korrosionsinhibitorerna 1H-bensotriazol och natriumbensoat visade på bättre egenskaper för användning i bergvärmesystem än den rena etanolblandningen med samma vikt-%. Vidare så undersöktes vilken hydraulisk och termisk inverkan vätskorna som innehöll de lovande korrosionsinhibitorerna hade på en U-formad borrhålsvärmeväxlare genom att undersöka pumpeffekten, värmeövergångstalet, Reynolds-tal och tryckfallet. Då detta är den första studien som utförs för att hitta lämpliga korrosionsinhibitorer för etanolbaserade köldbärare behövs vidare studier för att validera resultaten.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-170879 |
| Date | January 2015 |
| Creators | Gustafsson, Isac |
| Publisher | KTH, Energiteknik |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | Swedish |
| Detected Language | English |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
Page generated in 0.0015 seconds