Уважаемые коллеги, хотим для 60 кВт теплового насоса в качестве источника тепла погрузить в реку внешний коллектор из 1500 метров ПНД труб в виде 5 петель по 300 метров. Температура воды на дне реки (1,5 м.) составляет 0,8 градусов.

Боимся, что из-за того, что в коллекторе будет идти антифриз с отрицательной температурой, трубы будут обрастать льдом.
Вопрос:
1. Какой толщины лед будет образовываться и на какой длине труб?
2. Полностью ли он затормозит теплообмен?
3. Трубы будут льдом подниматься к поверхности?
4. Можно ли монтировать внешний коллектор сейчас, зимой (на реке установился лед толщиной 0,4 метра) ?

а вы просто так трубы «заложили» или вы таки расчеты сделали?

Расчеты были сделаны соответствующие расчеты в программном комплексе Производителя.
Но дело в том, что по факту температура воды в реке гораздо ниже, чем это отмечается везде в литературе: у нас по факту +0,8, тогда как обычно считается, что у дна температура +4.

аналогичный случай был на озере Пл..., все сдохло не начав работать. А на другом - додумались винтами гонять воду, чтобы обеспечить проток. Если Вы не профессионал и работаете не на своих деньгах - обратитесь к специально обученным людям.

Вот и хотим найти профессионалов, способных уложить коллектор зимой. Пока безуспешно.

Уважаемый v-david,

можно ли поподробнее указать технические параметры системы, которая была реализована на озере Пл. , а также в чем причина ее неработоспособности?

1. Разной... Может и не быть - максимальная плотность воды при +3, более холодная должна подниматься вверх. в Вашем случае это практически не происходит, возможно, меряли неправильно или близко к берегу...
2. Возможно, даже увеличит...
3. "Позывы" будут, надо будет как-то бороться

В интернете мне не удалось найти фото коллектора, уложенного в реку или водоем, с наросшим на него в процессе эксплуатации льдом.
У кого-нибудь есть такие фото?

извините, мне кажется Вы немного не с того конца взялись. У Вас частная река? Если нет, с природоохраной там как, согласовали?

Река частная, с природоохраной проблем не будет. К тому же в систему зальем "Теплый дом- Эко" (безопасный антифриз)

У Вас теплосъем 60000 Вт с 1500 м ПНД - это теплоотдача теплых полов. Вы на порядок не ошиблись?

нет, все верно: 60 кВт с 1500 метров . Труба ПНД 40*3,0 мм, снаружи омывается водой реки (течение 1 м/с), внутри пропиленгликоль с общим расчетным расходом 2,9 кг/с через все 5 петель. Таким образом, через 1 ветвь: 0,6 кг/с. Итого 5 ветвей по 300 метров, 1500 метров. Ошибки нет

Да есть ошибка. Обычный теплосъем 25-35 Вт/м2. Труба 40 имеет площадь 0,12 м2 и теплосъем составит 3.5-4 Вт/пог.м. Итого, с 1500 метров = 6000 Вт, а у Вас 60000?
Кто из нас считает криво?При Ваших то 0,5 гр.С?? Приведите свой расчет пожалуйста.

Уважаемый Испытатель, рад вашему предметному разговору. Завтра попытаюсь привести соответствующий расчет, где будут рассчитыны Re, коэф. теплопередачи и прочие параметры. Именно в таких проверочных расчетах находится истина, позволяющая сэкономить массу денег.

60 кВт это примерно средняя по трубе внутри -2-3С при таких параметрах. При условии, что труба чистая и голая, а это вряд ли. В принципе с технической стороны все реально, особенно если там действительно течение. Но 0,8С это уже не совсем вода, а точнее совсем не вода и выжать из нее что-то еще - большая проблема. Рисковый проект, слишком много будет затрат. Кстати обычные (европейские) ТНУ могут очень быстро скиснуть нахлебавшись жидкаря, здесь реально будет работать только машина с увеличенным испарителем.

Уважаемые коллеги, прилагаю мой расчет теплопередачи. По расчету, из 1500 метров трубы можно снять 60 кВт при средней по трубе температуре антифриза -2 градуса.


Уважаемый Давид, я пришел к той же самой цифре: -2 град.С. Поясните, пожалуйста, что значит выражение "Кстати обычные (европейские) ТНУ могут очень быстро скиснуть нахлебавшись жидкаря" ? У

Альфа с внешней стороны для лежащей непонятно в каких условиях трубы больше 5000? Позвольте не поверить...

Мне тоже не верится, что альфа больше 5000, но где тогда в расчете ошибка?
К тому же отбираемая у воды тепловая мощность 60 кВт просто напросто (как мне кажется ) будет происходить за счет того, что температура антифриза внутри трубы станет ниже расчетных -2 градуса.

По внешнему омыванию кинематическая вязкость не 1.3*10-6, а 1,75*10-6, Скорость омывания воды в речке 1 м/с - снесет Ваш пучек труб нахрен. Смело берите 0,5 и менее. И тут еще одна тонкость в приграничном слое трубы- обмерзания не будет, если теплоноситель -2 гр.С

Спасибо, Испытатель. Сделали замеры скорости: она действительно меньше. Принимаю в расчете 0,2 м/с и завтра переделаю расчет.

Уважаемые коллеги,

я сделал новый расчет теплообмена при омывании труб коллектора теплового насоса с учетом поправок Испытателя.

Я принял среднюю по длине труб коллектора температуру рассола равной -2 градуса, что соответствует температуре от теплового насоса -4,8, к тепловому насосу: +0,8 градусов Цельсия.

Действительно, при такой температуре рассола (-2 град.) и воды (+0,8 град.) с 1500 метров трубы можно снять лишь 36 кВт.

Прошу высказаться каждого по этому поводу.

Придется укладывать 3 000 метров трубы ?

да не посчитаете Вы точно. Ну если дальше копать, то надо учитывать обмерзание труб, а это а) увеличение эффективного диаметра теплообмена; б) теплопроводность льда (она, кстати, больше чем у воды); в) уменьшение, после определенного диаметра сосульки, общей эффективной площади теплообмена. Короче на кандидатскую думаю потянет. Работающую машину сделать в принципе реально, но из-за низкой температура источника основной проблемой станет обмерзание. И вот она-то Вам весь моск и вычерпает чайной ложечкой.

У Вас там формула для Нуссельта в трубе подходит только для турбулентного режима, а у Вас ламинарный, причём при таком L/d течение будет стабилизированным с установившимся предельным числом Нуссельта 3.657. Из мелких неточностей: лямбда для "Тёплого дома -20" будет 0.425, а не 0.55; теплопроводность полиэтилена вроде обычно берётся 0.4 (0.36..0.44). По вашей формуле для Tср=-2 тепловой поток получается 10.2Вт/м. Вбил исходные данные в свой хороший расчёт в маткаде, у меня получается (БЕЗ учёта обмерзания): Re в трубе 1732, альфа в трубе всего 45.7, температуры входа/выхода, полученные из диффура -12.5/-7.0 (для 12кВт с 300м, но реально то производительность ТН уже будет ниже, и это не сложно учесть, если ввести в расчёт характеристики ТН).
Нужно увеличивать Рейнольдс в трубе выше 2300, чтобы был переходный режим течения. Для этого можно, конечно, увеличить общий расход или уменьшить число петель, увеличив их длину, но из-за слишком высокой вязкости пропиленгликолиевых теплоносителей потребуется очень мощный циркуляционный насос, будут большие затраты на циркуляцию, что понизит общий COP. Так что самый верный способ взять менее вязкий теплоноситель - раствор хлорида кальция, тоже экологически безопасный и значительно более дешёвый ("Тёплого дома" только на заполнение подводной части вам потребуется 1.36куб.м на 85 тыс.р, а CaCl2 обойдётся в 10 тыс.р), но даже с инибиторами потребуется коррозионностойкие насос и теплообменник рассол/фреон. Для 21% раствора CaCl2 Тзам=-19, вязкость в 4 раза ниже - 3*10^-6, плюс выше теплоёмкость - 3720. Тогда температуры входа/выхода получаются -6.9 / 0. И меньше будут затраты на циркуляцию: гидравлические потери будут 4.8м против 6.2м.
Но это всё без учёта обмерзания и при условии, что ваши трубы обтекаются более-менее перпендикулярно со скоростью 0.2м/с (надеюсь это скорость у дна, где будут трубы, потому что если это в ядре потока, то у дна будет вообще никакая). Если речка действительно быстрая, то можно посчитать альтернативный вариант: значительно меньший по размеру металлический змеевик (не обязательно медный, можно алюминиевый или стальной, разница в теплопроводности в данном случае почти не будет влиять, важнее коррозионная стойкость), расположенный не у дна, а выше, в ядре потока. Например, если скорость течения 0.5м/с, трубы взять стальные того же диаметра, теплоноситель - р-р CaCl2, тот же общий расход, но две петле, то те же самые -6.9 / 0 будут обеспечиваться при длине петли 70м, т.е. получается два змеевика, например, по 23 3-метровые трубы в каждом. Но это так, к слову

Только без обид: проверьте еще раз Ваш "хороший" расчет, что-то мне подсказывает, что не так уж он хорош. При таких параметрах здесь ламинарным даже не пахнет, а работать в переходном режиме вообще категорически не рекомендуется. Ну и дальше там, про алюминий (украдут), про ядро, про хлорид и ингибиторы - как-то не очень серьезно. И тем более страшно далеко от практики. Это не каток. Пока.

Поясните пожалуйста, что значит ламинарным даже не пахнет, а работать в переходном режиме вообще категорически не рекомендуется. У автора в расчёте Рейнольдс получается 1813, у меня 1732 (отличается только потому, что автор при расчёте скорости в трубе взял плотность 1000, а у данного теплоносителя 1045). Это соответствует ламинарному течению (круглое сечение, Re<2300). Формула для Нуссельта в расчёте автора - известная формула для турбулентного режима, Re>10000. Реально же при ламинарном режиме течения и L/d>0.067*Re*Pr^(5/6) Нуссельт будет Nu=const=3.657. Т.е. до этого момента я, за исключением мелких неточностей, согласен с автором и мой расчёт даёт примерно те же результаты, но с Нуссультом 3.657 вместо 421 плотность потока будет 10.2 вместо 24.5Вт/м. В моём расчёте вместо определения теплового потока он наоборот задаётся, а определяются температуры входа/выхода.
Про алюминий я серьёзно и не говорил (хотя может и не украдут, если никто не будет знать, что он там есть), а про хлорид кальция вполне серьёзно, это практически единственный способ получить сносные характеристики. Используют же его в промышленных холодильных установках, особенно в пищевой промышленности. В моей подобной самодельной установке как раз стальной змеевик в ядре потока, и я как раз собираюсь заливать хлорид кальция с ингибиторами, но ещё не намешал и не залил. И отводимая мощность у меня всего 4кВт. Так что могу позволить себе поэкспериментировать.
Если интересно, выкладываю свой расчёт, который я на скорую руку переделал под вопрос автора (увы, греческие буквы и некоторые символы в pdf не перевелись).
Могу предположить, что ваше мнение про режимы течения следует из опыта проектирования отопительных контуров, где температура теплоносителя 60 и выше градусов. Увы, но при околонулевых температурах совсем другие вязкости и Рейнольдсы и добиться турбулентного режима с пропиленгликолем с приемлемыми затратами на циркуляцию невозможно.

Рейнольдс. У меня при первом расчете в качестве теплоносителя был этиленгликоль, Рейнльдс получился 4580, тут я ошибся, в исходных данных пропилен... для него Рейнольдс 2145. В принципе суть от этого не сильно меняется, это как раз граница ламинарного и турбулентного режима, ближе к ламинарному. При ламинарном движении теплоносителя по определению отсутствует перемешивание жидкости в трубе, т.е. практически в разы падает эффективность теплообмена и сам " аппарат" теплообменником уже не стоит называть, это всем понятно. Далее. По определению при ламинарном потоке отсутствует влияние шероховатостей трубы на характер движения, что эквивалентно отсутствию трения и тогда вопрос: как Вы посчитали сопротивление трубы? Отсюда и основной вывод - все расчеты, как теплообмена, так и гидравлических характеристик, при ламинарном и тем более переходном режиме бессмысленны. Ну т.е. теоретически они возможны, но практический результат будет непредсказуемым. Поэтому меня несколько удивило Ваше утверждение о затратах на циркуляцию при ламинарном потоке.

Интересно, за счёт чего у Вас немного другой Рейнольдс. Наверно вы считали для другой концентрации ПГ или брали свойства для дргой температуры. У меня посчитано именно для выбранного автором состава и свойства для 0 градусов. Так что тут уверенный ламинарный режим. И 2300 - это всё таки граница ламинарного и переходного режимов, турбулентный идёт выше 10000. И резкое падение теплоотдачи происходит именно при снижении с 10000 до 2300. В этом диапазоне Nu можно считать и по формуле для турбулентного режима, как у автора, но домножая на табличный поправочный коэффициент, который для Re10000 равен 1, а для 2200 равен 0.22.
Да, действительно, ламинарный никуда не годиться для теплообмена. И всё же грунтовых контурах с ПГ именно он устанавливается (в лучшем случае переходный), но там более интенсивного теплообмена и не требуется, так как всё равно грунт много отдать и не может. Автор может оставить трубы, теплоноситель и расход тот же, но даже без учёта обмерзания и надеясь на поперечное обтекание (хотя ну не будет на дне 0.2м/с и не будут они лежать перпендикулярно к течению) потребуется 6км труб, 5.5куб.м теплоносителя, уйма сетки с грузами (или рамы с грузами) для удержания на дне. А реально ещё в 2-3 раза больше.
Да, действительно, шероховатость не влияет, но на самом деле ПНД трубы и так очень гладкие и шероховатость в расчётах начнёт участвовать только при очень больших Re. Но Вы ошибаетесь, что это эквивалентно отсутствию трения (точнее и при ламинарном, и даже при турбулентном слой жидкости у самой стенки и так не движется, а потери возникают от касательных напряжений в самой жидкости, т.е. из-за разных скоростей на разных радиусах), и что эти режимы не поддаются расчёту. Есть для них формулы, которые я и использую (например, для ламинарного режима общепринятая формула потерь Лябда=64/Re).
Поправка: при снижении с 10000 до 2300 Нуссельт падает быстро, но плавно. А вот в районе 2300 получается скачкообразный переход к ещё более низким значениям из формулы для ламинарного режима, и вот это очень не удобно при компьютерных расчётах (циклах, автоматических итерациях...). Приходится сглаживать переход линейной функцией. Хотел тут завести тему, может кто знает более удобные формулы Нуссельта, которые бы описывали именно переход с ламинарного на переходный режимы, хотя знаю, что это самый трудноподдающийся предсказанию диапозон. Буду благодарен, если кто подскажет.

Согласен практически со всем и в частности с физикой работы грунтовых коллекторов. С маленькой только поправкой, грунт не может отдать не МНОГО, а БЫСТРО. Но в рассматриваемом примере не грунтовый ТО, а несколько иной и здесь много вопросов по правильности выбора.
Я использую общепринятые формулы для трех зон, характеризующих параметры течения - Блазиуса, Альтшуля и Шифринсона. Ну и конечно 64/Re для докритического режима. Результат пока устраивал, по крайней мере точность для практического применения достаточна. Вот здесь есть: http://gidravl.narod.ru/gidrosopr.html

Ну да, под много я имел ввиду именно быстро, т.е. много Вт/м. И вопросов действительно много по правильности выбора, как минимум можно оптимизировать по диаметру труб, длине и количеству петель, и замена ПГ хотя бы на этиленгликоль уже улучшит ситуацию (хотя и коррозионная активность теплоносителя увеличится). Но мне кажется что экономически целесообразнее взять CaCl2, пускай более дорогие теплообменник и насос, но значительно можно сократить другие расходы.
Спасибо за ссылку, почитаю потом повнимательнее.