Расчеты по гидравлике

Московский стандарт до -15С — 60 руб/кг. 1400 кг = 84700 рублей

Московский стандарт до -25С — 75 руб/кг. 70 кг = 5250 рублей

Всего 90000 рублей. За спирт — 38000 рублей. Разница 2,37 раза.

Доставка в обоих случаях плюсом, за пропиленгликоль будет тысяч 10-15 (из Тулы), за спирт — 5.

Исходные данные:
Внутренний диаметр трубопровода: 30 мм
Эквивалентная шероховатость трубопровода: 0.004 мм
Длина трубопровода: 135 м
Кинематическая вязкость жидкости: 0.000001 кв.м/с
Расход жидкости: 4.3 л/мин

Вычислено:
Площадь сечения трубопровода: 0.00070686 кв.м
Относительная шероховатость трубопровода: 0.00013333333333333
Скорость течения жидкости: 0.10138735628932 м/с
Число Рейнольдса: 3041.6206886795
Режим течения: Переходный (перемежаемость ламинарного и турбулентного течений)
Коэффициент гидравлического трения: 0.032514945308849
Потери напора по длине: 0.076659174139146 м

Для участка от коллектора до котельной 15 м ПНД-40. Исходные данные:
Внутренний диаметр трубопровода: 38 мм
Эквивалентная шероховатость трубопровода: 0.004 мм
Длина трубопровода: 30 м
Кинематическая вязкость жидкости: 0.000001 кв.м/с
Расход жидкости: 34 л/мин

Вычислено:
Площадь сечения трубопровода: 0.0011341176 кв.м
Относительная шероховатость трубопровода: 0.00010526315789474
Скорость течения жидкости: 0.49965423926643 м/с
Число Рейнольдса: 18986.861092124
Режим течения: Турбулентный
Коэффициент гидравлического трения: 0.027105146360268

Потери напора по длине: 0.27228866631303 м

Ещё раз на 4 делить не надо. Аналогия с электрическим сопротивлением в этом случае не совсем уместна. Напоры складываются при последовательном соединении, расход при этом не изменяется. При параллельном соединении расходы складываются, напор не изменяется. Гидравлическое сопротивление растёт примерно пропорционально квадрату скорости, вернее будет сказать несколько ниже квадрата скорости (так называемая область доквадратичного сопротивления) при ламинарном движении, затем скачкообразно увеличивается при переходе на турбулентный характер.

Нам требуется узнать необходимый напор насоса для того, чтобы пропихнуть нужное количество теплоносителя через определённое сечение трубы имеющейся длины. Если мы трубы параллелим, то расходы и скорости в каждой трубе разделяются на количество параллельных веток и гидравлические потери в каждой ветке снижаются быстрее (как минимум в квадрате), чем снижается скорость жидкости. Но насос то у нас остаётся один, поэтому расход насоса должен оставаться на прежнем уровне, равном суммарному расходу параллельных веток.

А вот создаваемого напора насосом при этом требуется намного меньше, чем в 4 раза. А именно, достаточно такого, чтобы протолкнуть необходимое количество теплоносителя через самую зажатую из параллельных веток. Раз хватит создаваемого напора для этой ветки, то хватит и для остальных, ведь расход насоса равен сумме расходов всех параллельных веток. Даже возможно придётся отдельные ветки поджимать, если сопротивление слишком различается, чтобы уравнять расходы, если это конечно необходимо.

Leo2 сказал(а): ↑ Какой насос есть на 1,5м и 2,5 м³/ч?

Да практически самый слабый циркуляционник, типа 32-40 может это обеспечить, правда на краю своего диапазона. Но беда в том, что при очень маленьком гидравлическом сопротивлениии 200 метров 40-ой трубы с практически ламинарным течением со скоростью 0,18 м/с, в контуре имеются ещё фитинги, разветвители, запорная арматура и пр. фурнитура, в которых течение не ламинарное. Общее сопротивление этих необходимых вещей может многократно превышать сопротивление трубы. Например только гидравлическое сопротивление ППТО при расходе 2,5 м3/час будет более 30 кПа, и никуда не денетесь от необходимости подбора насоса с учётом этого дополнительного сопротивления. Это уже только на ППТО с расходом 2,5 м3/час требуется насос 32-60 практически впритык, а если с запасом на всякие краны и фитинги, то 32-80. Каждая 200 метровая ветка чистой трубы даёт всего 3,5 кПа.

При этом хоть 4, хоть 124 параллельных ветки не потребуют применения насоса с более высокой напорной характеристикой. Как требовалось 3,5 кПа напора на одну трубу, так и 3,5 кПа напора на все трубы и останется. А вот расход насоса должен быть соответственно в 4 или 124 раза больше, по количеству параллельных веток.

1) как упоминал @Tawman зависимость от скорости квадратичная и поэтому вода с коллектора просто не захочет идти только через одну из параллельных труб, когда в соседних сопротивление гораздо меньше. Тут полная аналогия с электричеством, где мощность выделяемая на сопротивлении P = I^2 * R. Причем это правило будет так же помогать самобалансироваться и теплому полу.

2) вязкость теплоносителя (воды+спирт) возрастает с понижением температуры, причем в наших околонулевых температурах уже далеко не линейно. Поэтому если предположить что какая-та из веток теплее другой на 2 градуса из-за малого протока, то ее сопротивление резко уменьшится и холодный гликоль с удовольствием этим воспользуется. То есть этот фактор тоже способствует саморегуляции, в теплом полу он наоборот картину портит. Аналогии с электричеством тут уже нет, электросопротивление снижается по мере приближения к нулю Кельвина. Оба этих правила действуют совместно, так что не стоит тратить денег на балансировочные краны. Обычные краны поставить все же стоит — они позволяют выгнать воздух из каждой ветки в отдельности при заливке теплоносителя, а также отсекать прохудившийся контур если такое случится.

У меня есть краны на каждой ветке, все открыты на 100% и пирометр показывает примерно одинаковые (разброс в рамках погрешности) перепады температур на входе-выходе каждой параллельной трубы, хотя их длина колеблется от 90 до 105 метров.

Я считал змеевики из меди и гофронержавейки, насколько я помню, для одной и той же тепловой мощности для второго варианта нужно диаметр трубы в 2 раза больше и длину в полтора-два раза больше. Учтите, что змеевик вытесняет полезный объем из ТА, в случае с гофронержавейкой он становится ощутимым.

#32 ПТО это самая пока продвинутая система теплопередачи 5000вт/(м²*К),у коаксиальном (труба в трубе, противотоком) 1000вт/(м²*К) и змеевик в баке 500вт/(м²*К).К-это у нас температурный напор.

Хотя я бы как рекомендуют на ПТО брал бы не 5000 а 3000, это на про запас и на засоренность в будущем. А на такие показания Вам бы уже змеевека раза в 6 надо было.

#67 @Dekabrino, мне предлагают ПТО на номинальные 40 кВт для передачи 10-12 кВт при разнице температур 7-10 градусов. Площадь ПТО — около 0,74 м2
Потянет или нужно мощнее?

ПТО рассматриваю как альтернативу для 20 м нержавейки 32 мм. Для такой трубы площадь около 2 м2, соответственно, при дельте 10 градусов она сможет передать только 6 кВт. А при 5 — 3 кВт.
Это значит, что я теряю 10 градусов ТА, или 4,2*10/1,16=12 кВт*ч, что при моей дельте составляет четверть запасаемой энергии в ТА. При этом цена нержавейки около 9-10 тысяч рублей, плюс работа по ее скручиванию и засовыванию в бак.

В другой фирме посчитали сборный ПТО Ридан, заложили всего 0,25 м2 эффективной площади теплообмена. Почему такая разница в расчетах у разных поставщиков?

Мне где-то попадалась цифра, что ПТО эффективнее змеевиков раз в 5. Если брать ваши цифры в 0,3 кВт/м2/град для змеевика, можно ли брать 1,5 кВт/м2/град для ПТО?

#69 Коэффициент теплопередачи теплообменника очень сильно зависит от скорости теплоносителя вдоль поверхности
теплообмена. Самый простой теплообменник это змеевик в ёмкости, более сложный это труба в трубе.
При маленьких скоростях поток ламинарный, то есть практически не перемешивается, около поверхности теплообмена в пограничном слое скорость теплоносителя равна нулю. Для трубы это выглядит так — в центре трубы теплоноситель движется с максимальной скорость, а у стенок с нулевой. Если разделить расход теплоносителя на сечение трубы, то получим среднюю скорость теплоносителя. На самом деле в центре трубы скорость значительно больше, так как у стенок скорость нулевая. Теплоноситель течёт как бы концентрическими слоями, с плавным повышением скорости потока к центральному слою, как бы цепляясь слой за слоем друг за друга из-за вязкости теплдоносителя, но при этом практически не смешиваясь. Теплопередача от слоя к слою происходит только через теплопроводность, которая у воды довольно скромная (около 0,5 Вт/(м2*К).
При ламинарном потоке коэффициент теплопередачи предсказуем и легко вычисляется.
При увеличении скорости потока до определённого предела, который определяется вязкостью теплоносителя и геометрией канала (в общем — числом Рейнольдса) ламинарный поток переходит в турбулентный. Сначала начинают перемешиваться центральные слои потока, а затем и весь поток. С этого момента коэффициент теплопередачи скачкообразно увеличивается (в несколько раз). Для большого диаметра труб пороговая скорость перехода к турбулентности выше, чем у труб меньшего диаметра, также у прямых труб скорость теплоносителя без перехода в турбулентное течение выше, чем у скрученных в спирали.
Для наших условий (небольшие диаметры) и скрученные трубы скорость теплоносителя в трубе должна быть от 1-2 м/с и выше, чтобы получить турбулентный характер потока. В свою очередь турбулентный поток скачкообразно повышает гидравлические потери. Для трубчатых теплообменников приходится идти на компромисс между гидравлическими потерями и коэффициентом теплопередачи. Теоретически сделать теплообменник труба в трубе с коэффициентом теплопередачи более 5 кВт/(м2*К) вполне возможно, путем уменьшения диаметра канала для увеличения скорости в нём, но необходимая мощность насосов на прокачку будут неприемлемой.
Для снижения гидравлических потерь каналы соединяют параллельно, при этом падает скорость, для увеличения скорости снова уменьшают сечение… короче получается практически пластинчатый ТО, но с прямыми каналами.
В ППТО коэффициент теплопередачи до 5 кВт/(м2*К) и выше достигается несколько иным способом.
Классической турбулентности, при которой поток сам начинает перемешиваться под действием сил движения, как таковой в ППТО нет. Теплоноситель перемешивается при многократном изменении направления потока в межпластинчатом пространстве при столкновении с шевронной поверхностью теплообменной поверхности.
Средняя скорость потока между пластин всего 0,2-0,3 м/с, гидравлические потери тоже немалые из-за принудительного многократного изменения направления движения теплоносителя, но всё равно в несколько раз меньше, чем могли бы быть в «труба-в-трубе» при сопоставимом коэффициенте теплопередачи 5 кВт/(м2*К)
При этом ППТО хорошо работает только в узком диапазоне расхода теплоносителя через себя.
Если занижать (меньше расчётного) расход теплоносителя через ППТО, то резко падает коэффициент теплопередачи, так как при снижении скорости в каналах, которая и так довольно небольшая, ухудшается перемешивание.
При увеличении расхода теплоносителя гидравлическое сопротивление быстро растёт, а коэффициент теплопередачи повышается несильно, так как в узких 2-х миллиметровых каналах ППТО уже и при проектной скорости достигается оптимальное перемешивание.
Вот и получается, что при разных условиях характеристики одного и того же ППТО могут отличаться в разы.
Например, ППТО с площадью теплообмена всего 1 м2 легко можно заставить работать с мощностью 300 кВт для подогрева воды ГВС от теплоносителя центрального теплоснабжения.
Греющая вода +140, давление 4-5 бар, чтобы не закипела, на выходе +90С, расход 5 м3/ч,
нагреваемая вода на входе +10С, на выходе +55С, расход 6 м3/ч
Средний температурный напор около 80 К, коэффициент теплопередачи всего 3,7 кВт (м2*К)
Вполне обычные параметры по температурам, давлению и расходам.
Единственно что, так это высоковат полный тепловой поток на 1 м2 поверхности теплообмена.
Но это так, для примера.
Такой ППТО в тепловом насосе можно планировать где-то на 10 кВт, так как негде взять высокий температурный напор, как в примере выше, невозможно получить большой расход без больших гидравлических потерь, да ещё и с помощью циркуляционника. При этом, если расход будет ниже расчётного, так же ниже расчётного окажется и коэффициент теплопередачи, а для получения нужной мощности потребуется больший температурный напор, что приведёт к снижению температуры кипения (если ППТО испаритель) или к повышению температуры конденсации (если ППТО конденсатор)

#70 Про насос я понимаю, тут дело в размерах. Для передачи 12 кВт змеевиком при дельте 10 гр. нужно 4 м2 гофротрубы. Это 40 м 32 трубы, будет 30 литров объема. Боюсь, будут проблемы запихнуть ее в бак.

ПТО площадью 0,7-0,8 м2 при температурном напоре 7-10 градусов вполне обеспечит требуемые 12 кВт., и даже больше сможет, до 20 кВт, при напоре 10К.
При напоре 5К будет около 12 кВт.
Скорость теплоносителя в каналах 0,2-0,25 м/с при расходе 1 м3/ч.
Если увеличить расход, то и коэффициент теплопередачи увеличится, а с ним и мощность.
Вернее не мощность вырастет, а температурный напор упадёт, мощность тут вторична, она зависит от расхода и перепада температур на входе/выходе

Иногда пытаются приладить теплообменник от бассейна.
Привлекает небольшая цена при высокой заявленной мощности
Теплообменники для бассейна имеют небольшую теплообменную площадь при высокой заявленной мощности.
Дело в том, что расчётный температурный напор при подогреве воды довольно высокий. Греющая вода считается имеет температуру +90С, обратка +70. Нагреваемая вода в бассейне около 20С. Отсюда средний температурный напор 55-60К.
Если при работе в системе подогрева бассейна такой теплообменник имеет мощность 40 кВт, то при наших условиях (температурном напоре 5-6К) мощность будет в 10 раз ниже, не выше 4 кВт

#75 Для гофротрубы в ТА коэффициент теплоотдачи можно считать приблизительно 0,5 кВт/(м2*К), это максимум.
Для ППТО реально в среднем получается около 3 кВт/(м2*К).
Для кожухотрубов с гладкими пучками труб или «труба в трубе» около 1 кВт/(м2*К).
Для скоростных кожухотрубов возможно получать коэффициенты соизмеримые с ПТО, это 3 кВт/(м2*К) и даже более.
В таких кожухотрубах используются тонкие нержавеющая трубы с накаткой и оребрением, в отличии от ПТО они имеют намного большую габаритную длину. В некоторых случаях их удобно размещать на стенах. Но цена их на сегодняшний день выше, чем ПТО (за каждый кВт), да и производителей можно по пальцам перечислить и по почте не заказать…
Потери напора для гофры:

Согласно графику получается, что для моего расхода в 1 м3/ч (беру тот, который получается для ППТО на 12 кВт и 10К) в 32 гофре потеря напора 4,5, а в 25 — 8 мм/м. Трубы для той же мощности нужно соответственно 40 и 50 м (примерно), получаем потерю напора 1,8 и 4 м, что существенно выше ПТО. А по цене примерно столько же — более 15 тысяч рублей плюс работа.
Делаем выбор в пользу ППТО, хотя остается вопрос с его засорением и сроком службы. Читал аргументы в пользу разборных, но они такие не бывают компактные. Насколько реальна проблема с засорением пластин если теплоноситель циркулирует и температуры не выше 70С?

#10 Теплопроводности меди и железа отличаются не на 10%, а более, чем в 4 раза.

Коэффициенты теплопроводности материалов
Медь (ГОСТ 859-78*) — 407 Вт/м·К°
Алюминий (ГОСТ 22233-83) — 221 Вт/м·К°
Сталь стержневая арматурная (ГОСТ 10884-81) — 58 Вт/м·К°
Чугун — 50 Вт/м·К°

#78 Касательно использования нержавейки в теплообменниках. Действительно, теплопроводность нержавейки ниже, чем у меди, и не в 4 раза, а примерно в 22 (двадцать два) раза.

И, тем не менее, промышленность выпускает огромное количество теплообменников из нержавейки, от крошечных до гигантских. Этот «феномен» объясняется просто. При теплопередаче от жидкости к жидкости через стенку интенсивность теплопередачи зависит не столько от материала стенки, сколько от условий омывания стенки средами. Поясню в цифрах:
Теплопроводность меди — 384 вт/м*K
Теплопроводность воды — 0,55 вт/м*K, т. е. в 600 раз ниже меди. В приведенной таблице воды нет, но можете посмотреть в Инете.
Теплопроводность нержавейки — 17,5 вт/м*K, в 22 раза ниже меди
Берем медную трубку со стенкой 1 мм и, условно, принимаем тепловое сопротивление стенки за единицу. Тонкий ламинарный пристенный слой воды* толщиной 0,3 мм будет иметь тепловое сопротивление 180 единиц.
Суммарное сопротивление пирога «стенка медь +пристенный слой» — 181 ед.
А теперь поменяем медь на нержавейку. Тепловое сопротивление 1 мм нержавейки в условных единицах равно 22.
Суммарное сопротивление пирога «стенка нерж +пристенный слой» — 203 ед.
Разница — 11%. Если же учесть, что у гофрированной трубы механическая прочность трубы достигается за счет гофрирования, и стенка имеет толщину всего 0,3 мм, разница будет процента 3.

Прим*. В тепловых аккумуляторах вода практически неподвижна, поэтому характер омывания трубок снаружи ламинарный. Внутри трубок скорость большая, характер течения турбулентный, поэтому в приведенном примере я учел сопротивление пристенного слоя жидкости только с наружной стороны трубки.

Метод расчета теплообменника

Если глубоко не погружаться в гидродинамику и не грузить вас без нужды критериями Рейнольдса и Прандтля, то такой режим примерно соответствует медленному обтеканию снаружи трубок змеевика, помещенного в ТА. Вода в объеме ТА движется в основном за счет конвективного перемешивания, и скорость невелика.
Кстати, у пластинчатых теплообменников высокая мощность при небольших размерах достигается как раз за счет волнистого профиля пластин, из-за чего характер течения греющей и обогреваемой сред турбулентный, и коэффициент теплопередачи выше.

KAORI Heat Treatment Co.,Ltd. No.5-2, Chi-Lin N.Road,Chung-Li Industrial District, Taoyuan City, TAIWAN 320 Tel: 886-3-4626958 Fax: 886-3-4628021 PLATE HEAT EXCHANGER DATA SHEET