Здравствуйте уважаемые форумчане!
В общем загвоздка в такова - необходимо рассчитать теплообменник следующей конструкции: имеем два пучка труб, по одному пучку проходит холодный газ, который нужно нагреть, по второму пучку идет горячая вода. Эти пучки проходят через ограниченное пространство (емкость) с 60% этиленгликолем. Гликоль в емкости не циркулирует. Внимание вопрос каким образом рассчитать площадь поверхности пучков? Есть ли критериальные уравнения для расчета? Расчет к которому пришел на данный момент прикладываю, но на мой взгляд он не верный т.к. скорость гликоля вызванная конвекцией не реальная, да и вообще там не через Рейнольдса по идеи надо считать а через Грасгофа, но какие определяющие параметры в данном случае для критериев брать вообще уже не понимаю, за 4 дня мытарств, каша в голове.
В общем нужен человек, который имеет опыт по данной теме! Вопросов хватает, самому сложно разобраться, надеюсь на помощь!
Нажмите для просмотра прикрепленного файла

подправил помарки Нажмите для просмотра прикрепленного файла

Сложно понять, какая схема у теплообменника вашего. Что вы думаете насчёт примерно такой конструкции?
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Мы правда такой теплообменник используем для несколько других целей, но если газ пускать по широким трубкам из второй полости в третью, воду - по узким трубкам из нижней (четвертой) полости в верхнюю (первую), а весь этот теплообменник заключить в рубашку с гликолем, то наверное будет то, что вам нужно.

Можно еще про пластинчатый теплообменник подумать, только это тогда зарубежка получится.

Если правильно понял теплообменник который вы скинули, смысл верный, чтобы было понятней набросал схематично.
Подбирать ТО из имеющихся (зарубежка, не зарубежка) задачи не стоит.
ТО будет изготавливаться путем выбора пучков для КТО и заключения их в одну емкость с гликолем , нужно рассчитать площади этих пучков (теплообмена), естественно температуры давления и расходы газа и воды известны.

ну в таком случае гликоль вам придётся как-то перемешивать, он вязкий. В моём же случае это просто аккумулятор тепла.

Я прекрасно понимаю что этиленгликоль по хорошему перемешивать надо, но устанавливать насос нельзя, так как подвод электричества не допустим в целях безопасности, да и не в этом суть. Меня интересует как расчитать площадь пучков, пусть даже теплообменник получится очень большой, хочу увидеть данные достоверного расчета! Перемешивание все равно будет происходить за счет конвективных сил и того, что пространство замкнутое, и от объема емкости тоже должна быть зависимость. Только какие критериальные уравнения использовать и с какими определяющими, не понятно.

В общем то аналогом данного теплообменника является ГПМ-ПТПГ которые производит Газпроммаш, только у них используются тены вместо пучков с горячей водой.

Газпроммаш просто не может обойти наш патент на конструктив, поэтому он и не стал копировать нашу конструкцию))

Патенты это конечно хорошо, но меня больше расчетная часть интересует.

ну вот сам же Газпроммаш и пишет, что у него основная проблема - непрогрев газа. И для лучшего прогрева он усиливает циркуляцию. Вот такая же схема ими сейчас предполагается:

сверху две соты: двухходовой теплообменник для подогрева газа, снизу много кружков: трубы газоподогревателя, стрелочками показана циркуляция гликоля.

думается мне, что такие задачи надо решать математическим моделированием в каких либо программах расчетных методом конечных элементов.

Да этот вариант тоже изучаю, в частности Ansys CFX, но все же не верю что нет каких либо эмпирических формул на такой случай, как же раньше считали до компьютерного моделирования.... Да и моделирование с чем-то поверять надо.


я знаю об этом и схему эту видел, но вопрос состоит в другой, как посчитать без циркуляции...

раньше считали. да. разбивали задачу на кучу составляющих, упрощая на каждом шагу.
и главный этап раньше (да и сейчас по ходу дела) - это итоговые натурные испытания. строили образец и испытывали его проверяя теорию.
Я не знаю, как описать формулами поведение жидкости с определённой вязкостью при нагреве в одной точке и охлаждении в другой. это нереально. да ещё с учетом обтекания каких то тел..

со схемой надо сначала определиться. Сам Газпроммаш в своих статьях пишет, что у них не получается выйти на паспортный режим и поэтому им приходится в полтора, а практически в два раза уменьшать величину подогрева газа. Раньше они писали в характеристике дельту 70 градусов, теперь пишут 45 (но на самом деле получали перепад 25..30 °С). При этом с ростом подачи газа у них происходит снижение эффективности.
Вот что они сами пишут:

Т.е. у них гликоль греется, а газ не греется. И не греется потому что гликоль не циркулирует. Сейчас они разработали решение с направляющими, но, видимо, особых улучшений не достигли и вынуждены были скорректировать характеристику.

Понять для начала что происходит. Я вижу проблему следующим образом. Чем больше вы холодного газа в трубки нагоните, тем интенсивнее будет выстывать гликоль вокруг трубок. У остывшего гликоля выше вязкость и он обволакивает трубки. Направленного потока через слой трубок нет и горячий гликоль передаёт тепло через остывший гликоль. Соответственно мы получаем сложный тепломассообмен от горячего гликоля к теплому гликолю и от тёплого гликоля к холодным трубкам. При этом толщина слоя тёплого гликоля зависит от расхода нагреваемого газа и его температуры. Чем выше расход газа и ниже его температура, тем толще слой тёплого гликоля и хуже теплообмен.

Можно попробовать распределить трубки по всему объему ёмкости, тогда у вас не будет общего толстого слоя теплого гликоля, но потребуется делать распределительные камеры на входе и выходе. Похоже ваши конструкторы резко против этого, но я не знаю почему. Вариант с поковками считаю лукавством, т.к. сейчас уже начали появляться фирмы, принимающие мелкие заказы.

Что скажите по поводу такого варианта расчета:
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Есть сомнения что в данном расчете максимальный тепловой поток учитывает только конвективный перенос тепла, а теплопроводность не учитывает! Прав ли я в этом суждении? Что скажите?

Вот еще по Чернобыльскому расчет:
Нажмите для просмотра прикрепленного файла

И тишина

дак особых подвижек ведь незаметно. Установка и на газе-то работает абы как (разработчик же сам написал, что не смог выйти на заявляемые показатели и просто поделил свою хотелку напополам), а вы газ поменяли на горячую воду и думаете, что от этого установка станет лучше работать?! С чего бы?

Да мне не важно на сколько хорошо она будет работать, мне важно посчитать, как она будет работать. Мне важна оценка методики расчета.

Мы допустим считаем, что со стороны газа должна быть более развитая поверхность. Кроме того, должна быть обеспечена циркуляция гликоля сквозь трубный пучок. У вас пучок плотный предположительно (т.к. конструкция даже эскизно не показана) и циркуляция обеспечена естественная вокруг этого пучка. Плюс трубы гладкие со стороны газа. Следовательно результаты расчёта придётся умножать на поправочный коэффициент. 0,3 например. Или 0,2..0,5 в зависимости от климатических условий и реальной потребности в отепленном газе.

Я конечно все понимаю, и спасибо Вам за ответы, но рассуждать можно долго. Как выполнять расчет, какие формулы применять, конкретно можете что-то подсказать?
Что скажете по поводу расчетов которые я выложил? Почему считаете, что их надо умножать на поправочные коэффициент если они и так критериальные и именно для свободной конвекции?
В общем интересует конкретика по существу с доводами и фактами, демагогию и рассуждения по поводу физики процесса я и сам могу вечно разводить....

Думаю, явно на это дела методику найти не удастся. Может быть используя выкладки других методик что-то посчитать. Процесс от одного теплоносителя в другой изучен, есть методики. Здесь такие составляющие - от воды в гликоль, циркуляция гликоля, от гликоля в газ. Нужно найти такое значение расхода гликоля (методом перебора), которое бы уравнивало тепловой поток в двух крайних процессах. Значение расхода гликоля тоже будет зависеть от теплообмена.
Предполагаю схему:
1. задаемся расходом гликоля
2. считаем нагрев гликоля водой
3. считаем охлаждение гликоля газами
4. сравниваем потоки
5. goto 1
И если расчет сойдется при каком-то расходе гликоля, нужно проверить этот расход за счет разности плотностей в частях аппарата. Последнее возможно самое сложное. Возможно будет корректным использовать выкладки из методики ВНИИНефтемаш по расчету термосифонных рибойлеров, т.к. движение одной фазы в них тоже естественное за счет разности плотностей

может быть "правочник химика" от Дж. Перри еще покурить

Спасибо за ответ!
В целом Вы верно мыслите, но надо плясать не совсем от расхода, а от теплоотдачи, которая в частности конвективного движения(расхода) характеризуется числом Грасгофа в эмпирических критериальных уравнениях. да и если я Вас правильно понял, потоки у вас сойдутся, когда гликоль будет передавать газу 100% тепла от воды, ведь только тогда потоки сойдутся.. в общем масло масленое получается)
Как я уже говорил проблем с пониманием физики процесса у меня нет, здесь я пытаюсь найти людей которые применяли конкретные критериальные формулы (как на пример формула по Михеева или Чернобыльского для подобных расчетов) и сравнивали результаты с работающими проектами. Очень интересно было бы посмотреть на результаты численного моделирования, но подозреваю, что сетка для такой модели (количество трубок пара сотен) будет мягко говоря не простая, и для расчета понадобится кластер с не одной тысячей ядер. Также интересно посмотреть на другие методики в том числе ВНИИНефтемаш, какие там уравнения применяются, у вас есть эти методики посмотреть?

Тут только сплошная эмпирика поможет. Судя по всему в должном объёме её нет даже у того же Газпроммаша, да и тот вряд ли поделится. А промежуточную среду с фазовым переходом нельзя подобрать?

Хм... Вы сами-то сравнивали? А то мне кажется, что вы реально за три дня вариант придумали, но проверить результат вам не на чем. Обратитесь в Газпромнефть, допустим на МНПЗ, возможно они смогут вам помочь с данными. Ну а пока спрашиваете - сделайте себе модель. Пропустите через корпус пластикового чайника пучок трубок, залейте в чайник гликоль, поставьте его кипятиться, а через трубки пустите холодную воду. трубный пучок только нужен мелкий, не придумал, где взять еще. Вот сделаете и хоть обсобирайтесь данных на модели))

а чем профит такой конструкции с промежуточным теплоносителем?

нет, только гликоль, обусловлено климатическими условиями.


Газпром никогда не поделится такой информацией, даже если она есть... На счет чайника конечно интересно, но во первых нет времени и желания этим заниматься, во вторых очень сомневаюсь, что это даст какие либо данные которые помогу сделать объективный расчет моей конструкции


Профит в актуальности применения в определенных производственных условиях. Наличие теплоносителя, климатические условия, и т.д.

С чего бы ему не поделиться?! Никакой особой ценности эта информация не представляет. Другое дело, что надо звонить и договариваться насчёт сбора информации. Как вариант, можно к изготовителю обратиться за информацией. Только не говорите им, что переделывать что-то хотите. По крайней мере не сразу.

С того, что это является интеллектуальной собственностью предприятия! О ценности придается объяснятся с СБ, тому кто передаст (или попытается передать) ее 3-м лицам. на счет "не говорите им, что переделывать что-то хотите." извиняюсь, но это смешно. Даже интересно стало, где Вы работаете, и чем занимается ваша СБ, что Вы так легко рассуждаете. На счет рассуждений, больше на них отвечать не буду. Жду ответов по существу!

я конкретно занимаюсь базовым инжинирингом в области подготовки сжатого воздуха)) Когда мне надо получить отзыв о работе интересующего меня оборудования, то я пишу на предприятие, где это оборудование установлено, запрос о выдаче отзыва о работе оборудования с указанием тех.характеристик. Обычно в течение недели приходит отзыв, подписанный руководителем. Вот как во вложении. Обычно СБ не обращает на такие отзывы внимания, если речь не идёт о каком-то сверх- или просто секретном процессе. У вас не идёт, значит ответ вы получить - можете. В том числе и у завода-изготовителя. А по существу я вам уже написал - Ваше решение подходит для воды. Вместо воды у вас гликоль. Для гликоля характерно существенное изменение вязкости от температуры. Вот вам картинка по растворам этиленгликоля, полюбуйтесь
Объяснить вам, что эта картинка означает? Она означает, что на плотном пучке труб с подогреваемым газом у вас будет висеть холодная гликолевая "сопля". А вокруг этой "сопли" будет течь теплый гликоль.
Нажмите для просмотра прикрепленного файла

При +15 градусах не будет никакой сопли..! Вы смотрели расчет, который я выложил и в пределах каких температур я его делал?

Почему не будет-то? У вас основная масса гликоля будет нагрета до 55-60°С, а в районе пучка гликоль остынет градусов до 20. Соответственно вязкость с 1.5 подрастет до 6 мм2/с. К тому же вы в своём расчете используете модель теплообмена потоков, но поток задаёте только с одной стороны, а с другой стороны у вас поток отсутствует. Больше чем уверен, что расчётные формулы вами использованные на такой режим не применяются.

6мм2/с это вообще не сопля ни разу, масло в электро радиаторах еще и погуще, к тому же вязкость учитывается в моих расчетах, можно ее и 6 поставить, это не так уж сильно повлияет на результат! О каком втором тепловом потоке идет речь, я вообще не понимаю. Тепловой поток один, от горячего к холодному, и его величина зависит от разности температур.

Я имел ввиду поток самого по себе гликоля. У вас в расчётах применяется модель, когда с одной стороны идёт поток горячего теплоносителя (в нашем случае это гликоль), а с другой - подогреваемого вещества (в нашем случае это газ). Это модель вытеснения. Однако потока теплоносителя у вас нет и подогреваемое вещество просто забирает тепло из ближайших слоёв теплоносителя. Чтобы сменить остывший слой на более тёплый, вам необходимо эти слои перемешивать (как минимум). У вас перемешивание теплоносителя судя по всему происходит естественным образом, т.е. как придётся. Вы же прекрасно знаете, что если в ведро с горячей водой влить ковш холодной воды, то без перемешивания у вас довольно долго будут наблюдаться два слоя воды разной температуры. Точно такой же эффект предположительно будет и здесь. Была бы модель, можно было бы эксперимент поставить и подтвердить это предположение. Но вам лень, а мне ни к чему. Так и живём))

пришло время строить))) посмотрим, что как пойдет) в моем расчете учитывается вязкость, и ее можно даже принять по всему объему равной 6мм2/с , от чего результат меняется на 20% всего... длинна теплообменника при этом порядка 20 метров, самому интересно будет греть или нет 8) если нет наверно насосы приваривать будем...

В итоге отказались от этой идеи, сделали систему из двух теплообменников с промежуточным теплоносителем: пластинчатого и трубчатого).

О чем с самого начала речь и шла))