Расчёт оборудования для нагрева бассейна

РЕКЛАМА НА ФОРУМХАУС

Сам столкнулся с данной проблемой, поэтому решил создать отдельную ветку для обмена опытом, расчетами и мнениями. Опишу свою ситуацию и ход своих мыслей.

Описание того что имею:
Бассейн Atlantic Pool Esprit-Big 4,6х1,32 (20 м3). (Углублен на 60 см. в землю с утеплением и изоляцией дна и стенок).
Насос и фильтр: бочка с песком Behncke Koln D400 + насос Speck Badu Magic 6 м3/ч.
Перед фильтром стоит УФ обеззораживатель DELTA-UV ES 20.

Цель: организовать прогрев воды в начале сезона и её подогрев на протяжении сезона.

Что для этого имею:
Газовая проточная бытовая колонка Electrolux GWH 285 ERN NanoPro:
Максимальная полезная мощность – 19,2 кВт
Производительность при Δ= 50°С – 5,5 л/мин.
Производительность при Δ= 25°С – 11 л/мин
2 шт. спиральных теплообменников Pahlen Hi-Flow 11391 - 13 кВт, пока были подключены параллельно. Теплоноситель подавался тоже параллельно.
Циркуляционный насос теплоносителя Termica Comfortline CP 25-43 180
При 0 напоре:
Режим 3 – 3,6 м3/час
Режим 2 – 2,7 м3/час
Режим 1 – 2,1 м3/час

Что было сделано:
Теплообменники в параллель;
Подача теплоносителя на 3 режиме в параллель;

В итоге:
Выход с колонки 90С. Обратка в колонку 64С. Вода бассейна нагревается всего на 1 градус при прохождении через два теплообменника и прогрев бассейна с 20С до 28С занимает 40 часов. Что совсем не устраивает.

Чего хочется:
Прогрев бассейна с 20С до 28С примерно за 10 часов.

Ключевые моменты:
На подогрев воды влияют несколько компонентов:
1. Насос-фильтр бассейна.
2. Источник тепла и его мощность + производительность.
3. Теплообменник и его характеристики.

Проанализировав все теплообменники (спиральные, трубчатые и пластинчатые всех производителей (Behncke, Bowman, Xenozone, PoolKing, Pahlen, Emaux и Elecro) и их паспортные характеристики пришел к выводу что их номинальная мощность сильно зависит от трёх параметров:
1. Скорость первичного потока (теплоноситель);
2. Скорость вторичного потока (вода бассейна);
3. Дельта температур первичного и вторичного потоков;

Исходя из всего изложенного сделал следующие выводы:
1. Менять насос фильтр бассейна это дорого и влечет за собой замену бочки-фильтра с песком, что вообще дорого. Поэтому отпадает.
2. Остаются несколько бюджетных вариантов:
a. Замена источника тепла. Чем мощнее, тем больше тепла.
b. Замена теплообменника.
c. Замена циркуляционного насоса теплоносителя.

a. Источник тепла.
У меня магистральный газ, это облегчает ситуацию, но какой мощности нужен котел или колонка? И что лучше котел (1 или 2-х контурный или проточная колонка)? У меня проточная колонка, но боюсь её мощности не достаточно. Давайте подсчитаем сколько нужно тепла чтобы нагреть мой бассейн.

Количество теплоты необходимое для нагревания равно:
Q = c * m * (t2 - t1),
Где:
с = 4183 Дж*кг*К - удельная теплоемкость для воды
m = 1000 - масса 1 м3 воды
t2 – целевая температура (28С)
t1 – начальная температура (20С)

Итого: Q = 4183 * 20 000 (28 - 20) = 669 280 000 Дж = 669 280 кДж = 185,911 кВт * ч
т. к. 1 кДж = 0,277 Вт*ч

Делим на 10 часов нагрева и получаем что 20 м3 воды можно нагреть с 20С до 28С используя источник тепла мощностью 18,6 кВт всего за 10 часов. Это все при условии что теплопотери равны 0.

В моём случае вроде с колонкой все ОК, но почему тогда бассейн греется 40 часов вместо 10? Будем искать дальше слабые места. Начнем с теплообменника.

b. Номинальная мощность теплообменника Pahlen Hi-Flow 11391 (13 кВт) рассчитана для номинального расхода 1,8 м3/час (в первичном контуре) и 15 м3/час (во вторичном контуре), при разности температур подведённых потоков 60 С и имеет следующие характеристики:


Это значит что свои 13 кВт каждый теплообменник выдаёт при трёх условиях:
1. 100% тепловой мощности достигается при разнице Т подводящих контуров = 60 °С.
2. 100% теплопроизводительности достигается при скорости вторичного контура = 15 м3/час.
3. 100% теплопроизводительности достигается при скорости первичного контура = 1,8 м3/час.

С первым условием проблем нет, у меня даже 90 – 20 = 70 С. В результате имеем повышающий коэффициент для тепловой мощности 1,15. Что очень хорошо.

С вторым условием имеет неустранимую проблему, т. к. имею фильтр-насос на 6 м3/час, а требуется 15 м3/час, в результате имеем понижающий коэффициент для эффективности теплопроизводительности 0,6.

С третьим условием все не однозначно, т. к. производительность циркуляционного насоса для теплообменника сильно зависит от напора. А как узнать напор? Проблема. Но основываясь на опыте других пришел к выводу что реальная скорость соответствует напору в 3,5-4 метров, т. е. мой насос имеет реальный расход в Режиме 3 всего 0,5 – 1 м3/час. Что тоже маловато для требуемых 1,8 м/час.


Итог - имеем две проблемы, которые можно бюджетно решить:
1. Замена циркуляционного насоса на более мощный.
2. Замена теплообменника на менее требовательный по мощности потоков и дельте температур, но выдающий достаточную мощность.

Проанализировав все теплообменники (спиральные, трубчатые всех производителей (Behncke, Bowman, Xenozone, PoolKing, Pahlen, Emaux и Elecro) я пришел к выводу, что следующие теплообменники имеют минимальные требования к расходу во вторичном контуре ~ 10 м3/час (основной критерий) и первичном контуре от 1.1 до 2,4 м3/час:

· Behncke QWT 100-40, 40 кВт, спиральный
· Behncke KstWT 200, 47.5 кВт, спиральный
· Bowman 40 кВт (5113-2C), трубчатый
· Bowman 40 кВт (5113-2S), трубчатый
· Bowman 40 кВт (5113-2T), трубчатый
· Elecro G2, 30 кВт, трубчатый

На мой взгляд самый из них не требовательный к потокам это Elecro G2. Обнаружил его случайно на днях. До этого не знал об этом производителе и теплообменнике.

Получается в моем случае рационально произвести замену двух Pahlen Hi-Flow 11391 - 13 кВт на один Elecro G2, 30 кВт + обновить циркуляционник на более мощный.

А потом можно подумать о смене источника тепла на более мощный – 25-40 кВт.

 

Это справедливо только в начале нагрева воды с 20 градусов и работает только в начальной части теплообменника и то с натяжкой.

Спойлер: повторение - мать учения...

Что происходит в реальности (для упрощения мы пока возьмем КПД теплообменника 100% (хотя правильнее его сразу брать не более 80-90 %, чтобы потом не удивляться большому отклонению практических результатов от расчетных), но это только, чтобы проще понимать принцип прикидочных расчетов.
Берем котел 19 кВт и начальную температуру теплоносителя на выходе котла (колонки) 90 градусов. При заборе (без потерь) всей мощности в 19 кВт в первичном контуре при скорости потока (номинал по паспорту) в 1,1 м3/ч температура на выходе теплообменника упадет на 15 градусов (19/(1.1*1.16)=~15), т. е. до 75 градусов. По вторичному контуру при скорости потока в 6 м3/ч при заборе полной мощности в 19 кВт (КПД=100%) повышение температуры за проход будет 2,7 градуса (19/(6*1.16)=~2.7). Чтобы в начале и к конце теплообменника сохранялась примерно максимальная разница температур контуров, потоки подаются навстречу друг другу. Итак, в начале нагрева бассейна при его температуре в 20 градусов на входе теплообменника (по первичному контуру) будет разница температур контуров 90-22,7=67,3 градусов, на выходе теплообменника, соответственно, 75-20=55 градусов. Т. е. в начальной части теплообменника со стороны входа теплоносителя теплообмен идет при разности температур контуров около 67 градусов, ближе к выходу из теплообменника - около 55 градусов. Для упрощения можно взять среднюю температуру (дельту температур) по всему объему теплообменника в (55+67)/2=61 градус. В этом случае можно считать, что мощность передается полностью в 100% (по графикам для разности контуров в 60 градусов), т. е. все 19 кВт. Так, как у нас во вторичном контуре не 10 м3/ч, а 6 м3/ч, то по тем же графикам этот теплообменник может передать при наших потоках до 75 % мощности от номинала 30 кВт, т. е. до 22,5 кВт, т. е у нас есть запас по теплообменнику для котла в 19 кВт почти в (22,5-19)=3,5 кВт.
Смотрим все то же самое в конце нагрева, когда вода в бассейне приближается к 28 градусам.
Разница температур контуров будет: 90-30.7=59,3 в начале теплообменника и 75-28=47, т. е. в среднем дельта температур будет около 53 градусов. По таблице эффективность теплообменника станет примерно 90% или расчетная мощность будет 22,5 (при 100%) *0.9 = 20.25 кВт. Т. е. все равно небольшой запас в 1.25 кВт для котла 19 кВт (22.5-19) есть и в конце нагрева воды до 28 градусов, а значит мы сможем передать всю мощность в 19 кВт от котла воде бассейна.
Но это все при КПД теплообменника 100%, в реальности же нужно считать, что от этого котла 19 кВт для нагрева с помощью теплообменника можно взять около 16 кВт для расчетов, не больше, при реальном КПД теплообменника около 85% (КПД приводят очень редко, но именно такой процент (84%) я видел у нескольких теплообменников в приводимых характеристиках).
В любом случае, если оставлять насосы первичного (1.1 м3/ч) и вторичного (6 м3/ч) контуров теплообменника как есть, то мощность котла увеличивать более 22,5 кВт для этого теплообменника в 30 кВт (при номинальных потоках в контурах) особо не имеет смысла, дальнейшей прибавки снимаемой теплообменником мощности более 22.5 кВт не получится.
Допустим, ставим котел 50 кВт. В котле все равно будет ограничение на нагрев теплоносителя до 90 градусов. Вторичный контур в этом теплообменнике 30 кВт при скорости потока в 6м3/ч даже при средней разности температур в 60 градусов больше 22,5 кВт отобрать не сможет (в начале нагрева забираемая мощность будет чуть выше за счет разницы температур контуров, потом приблизится к этой мощности при средней дельте около 60 градусов (90-28). Но котел в 50 кВт будет "тактовать", чтобы поддерживать температуру теплоносителя на выходе котла 90 градусов, т. е. в среднем (например, за час) он все равно будет отдавать теплообменнику те же 22.5 кВт (потери не учитываем), не больше.
Чтобы всю мощность котла в 50 кВт отобрать этим теплообменником, придется менять насосы на более производительные, другого пути я не вижу, если только сразу не предусмотреть более мощный теплообменник, который при скорости протока 1,1 м3/ч в первичном контуре и 6м3/ч во вторичном может снять до 50 кВт тепловой энергии. Но я таких с малыми потоками в контурах что-то совсем не смог найти. Наверно, с этим справится какой-нибудь теплообменник за 100-200 кВт и более, но те, что я видел и для первичного контура требуют 2.5-3,5 м3/ч, для вторичного около 18 м3/ч, так что выбор тут не совсем простой при таких слабых насосах в контурах теплообменника (отдаваемая мощность с используемыми насосами падает суммарно в 8-10 раз по сравнению с паспортными данными).
Я свой прогноз уже высказывал для вашего котла 19 кВт - какой бы великолепный теплообменник и насосы в контурах вы не выбрали, нагрев вашего бассейна с 20 до 28 градусов только этим котлом быстрее чем, за 12 часов никак не осуществить (я беру реальную тепловую мощность от него в 16 кВт при КПД теплообменника 85%).

Хотелось бы здесь услышать мнение маститых специалистов по поводу приводимых прикидочных расчетов, может где явная ошибка, которая может здорово исказить результаты и, вообще, правильно ли мы рассуждаем про взаимодействие котла и теплообменника для нагрева воды в бассейне. Разъяснения будут полезны очень многим, кто задумывается о нагреве воды бассейна и хочет понимать, как это происходит и реально представлять, что означают приводимые параметры в характеристиках оборудования и на что можно надеяться в конкретных условиях.

 

Открыл я тут табличку про теплообменники Elecro G2, и что я вижу возьмем 30 квт.
при расходе в первичном (котла) ну про падение давление оно очень мало можно пренебречь, то вот мощностью и дельтой температур в контурах очень интересно.
На пример при дельте температуры в 15 градусов, это когда надо в бассеине 25, а в контуре 40, то будет всего 9 квт вместо 30. а когда бассейн будет прогреваться то дельта будет уменьшаться и мощность будет падать. 30 квт будет при дельте в 60 градусов, это получается что теплоноситель должен быть 90, что-бы прогреть воду с 25 до 30 и при этом мощность была 30 квт.
И это года расход первичного 1.1 а вторичного 10 кубиков в час.
Если в первичном поднять расход до 1.3, то 30 квт можно получить при дельте уже в 50 градусов.
Ну в итоге что я на пример смогу получить с своим оборудованием.
В первичном я допустим сделаю 1.3, в вторичном максимум (да еще после песчаника около) 6-7, при моей дельте около 40 градусов получу с 30 квт теплообменника в районе 15-17 квт.

чтоб не пугались с давлением 10 кпа - это пример 0.1 бар

 

Эти рассуждения будут справедливы для любых теплообменников, так как приводимые в источниках графики зависимости "отдачи" в процентах от номинала при разных дельтах температур в контурах и при различных потоках в контурах практически не отличаются друг от друга для разных теплообменников. Главное понимать, что теплообменник это не есть нагреватель, паспортная мощность теплообменника не означает, что используя теплообменник на 50 кВт с котлом 20 кВт, удастся отобрать тепловой мощности больше мощности котла, это устройство для передачи тепла от котла воде бассейна с разделением контуров теплоносителей. Главное при выборе теплообменника, это убедиться, что при используемых потоках и температурах в контурах получающаяся по графикам и таблицам мощность не ниже передаваемой от котла (всю мощность котла можно передать во вторичный контур), причем, желательно иметь небольшой запас на случай неточности расчетов. Можно сказать иначе: мощность выбранного теплообменника при используемых скоростях потоков в контурах и средней дельте температур между ними должна быть не меньше требуемой мощности передачи. Больше - пожалуйста, меньше -нет, тогда просто не получится передать всю мощность от котла. Дальнейшее увеличение мощности теплообменника нецелесообразно, так как больше тепла все равно не забрать, а более мощный теплообменник обычно гораздо дороже. Но, чаще всего под имеющийся котел и станцию водоочистки (насос-фильтр) все таки придется брать теплообменник гораздо большей паспортной мощности по сравнению с котлом (или планируемой мощностью отбора тепла), так как очень тяжело выдержать требуемые для теплообменника скорости потоков, особенно во вторичном контуре. По отзывам пользователей наиболее массово используются насосы-фильтры производительностью 4-10 м3/ч, что только-только в районе 10 м3/ч приближается к паспортным требованиям для номинальной мощности предлагаемых теплообменников. А при 4-х кубовом насосе под имеющийся котел (считаем, что хотим забрать всю его мощность) придется подбирать теплообменник как минимум втрое большей мощности (если он требует 12 м3/ч во вторичном контуре), чем котел, при условии, что в первичном удастся поддерживать номинальную скорость потока (обычно 1,1-1,5 м3/ч минимум), что тоже не так легко обеспечить.

 

@vagorzel,
Хочу попросить совета. Подумываю все-таки приобрести новый теплообменник и именно трубчатый. Думаю у него гораздо сильнее теплоотдача по сравнению со спиральным.
Свой выбор остановил на трех моделях:
1. Elecro G2, 30 кВт - трубки из титана
2. Bowman 40 кВт (5113-2C) - трубчатый, чугунный, трубки медно-никелевые
3. Bowman 40 кВт (5113-2S) - трубчатый, чугунный, трубки из нерж. стали (AISI-316L)

Bowman единственное более требователен к потоку в первичном контуре 40 л/мин против 21 л/мин у Elecro, но у него и мощность на 10 кВт больше.

Все стоят примерно одинаково (~ 20 000 руб.)
Вы хорошо знаете мою ситуацию с бассейном и подогревом.
Какой из них лучше подойдет мне?
Заранее премного благодарен.

 

Я лично бы на вашем месте начал с котла, у вас котел а точнее газовая колонка для нагрева горячей воды ГВС, а не для отопления. Ваша колонка Electrolux GWH 285 ERN предназначена открыл кран и потекла водичка в умывальник, но не как для нагрева тем более бассейна. Мне почему-то кажется что правильнее для нагрева системы использовать именно котлы для СО. Посчитайте на пример что 1.1 тонна в час это 18 литров в минуту,
А ваша колонка дает максиму 11. Даже не смотря что у вас будет новы теплообменник, считайте половину сразу теряете. Это я так думаю.

 

Я не специалист по теплотехнике, но беглое изучение по этой проблеме указывает на то, что эффективность теплообменника для конкретных значений разности температур и потоков в контурах в основном зависит только от площади контактируемых сред (контуров), а не от конструкции. По конструкции теплообменники делают в основном пластинчатые, трубчатые (одна труба в в трубе или пучек труб в трубе) и спиральные. Если мы берем в качестве примера конкретную передаваемую мощность от источника тепла, то пластинчатые самые компактные, однотрубные (труба в трубе) или спиральные самые габаритные. я только в этом вижу их основные отличия. Но у пластинчатых практически одинаковые объемы в контурах, а это указывает на то, что и скорости потоков у них в контурах должны быть практически одинаковые, что для нагрева воды в бассейне, вероятно, не очень подходит, если во вторичном контуре использовать поток от насоса-фильтра, то в первичном контуре такой поток обеспечить (если от газового котла или проточной колонки) очень проблематично, значит в паспортных режимах его практически не получится использовать. В любом теплообменнике должен соблюдаться тепловой баланс: количество тепла, забранного вторичным контуром, не может превышать закачанное тепло в первичный контур. Так что я не могу согласиться (на уровне своих знаний), что в общем случае конструкция теплообменника как-то сильно влияет на его эффективность при прочих одинаковых условиях в контурах. К этому заключению меня подталкивают и приводимые графики эффективности теплообменников, они никак не связаны с конструкцией теплообменников.
Из выбранных вами теплообменников я бы выбрал Elecro, у него наименьшая скорость потока в первичном контуре (1,1 м3/ч), что представляется возможным обеспечить и, если удастся поддерживать скорость потока в 6м3/ч во вторичном контуре, то по нашим расчетам он способен передавать мощность от котла вплоть до 20-22 кВт, что нас устраивает, так как максимальную мощность, которую можно закачать в первичный контур - около 19 кВт. Ожидаемое время нагрева бассейна на 8 градусов, как прикидывали раньше - около 12 часов., не меньше. С двумя другими теплообменниками это сделать не получится, там скорость потока в первичном контуре практически вдвое выше, значит при одинаковой с первым теплообменником скорости в первичном контуре их нужно рассматривать как 20 кВт начальной мощности. Подсчитайте сами, но и так ясно, что 19 кВт передать во вторичный контур с ними никак не получится, если только вам удастся повысить скорость потока в первичном контуре выше 2 м3/ч, что сделать будет очень непросто.

 

Тогда у меня план такой.
Сейчас куплю Elecro на 30 кВт, смонтирую систему. Посмотрю что будет. И постепенно подыскивать одноконтурный котел отопления на мощность 20-25 кВт. Можно и б. у.
У Элекро и базовая комплектация побогаче и трубки сразу титановые.

 

Ну это (11 л/мин или 660 л/ч) не окончательный приговор, эти данные приводятся при разности температур на входе/выходе колонки в 25 градусов (0.66 м3/ч *25 (град) *1,16= ~19,2 кВт).
При потоке в 18,5 л/мин (1,1 м3/ч) разность будет уже в 15 градусов, при большем потоке, соответственно, еще меньше, чтобы передать всю тепловую мощность от колонки в 19 кВт. Но нужно просто проверить, как будет вести себя эта колонка при таком потоке, какой напор потребуется, чтобы прокачивать такой объем теплоносителя и справится ли с этим планируемый или имеющийся циркуляционный насос. Я в свое время долго пользовался проточной газовой колонкой в квартире и хорошо помню, что газ горит на всю катушку (мощность максимальная), хочется сделать воду погорячее, приходится поджимать краном поток через колонку (уменьшаем поток - увеличиваем разницу температур, зависимость там линейная, но мощность при этом не изменяется - максимальная). Так что запас по потоку там точно есть и я уверен, что и 2 м3/ч (33 л/мин) через нее удастся прокачать, лишь бы циркуляционник смог прокачать с такой производительностью всю обвязку вместе с котлом.
А котел от колонки практически отличается только наличием утепленного накопительного бака и автоматикой и чаще всего встроенным циркуляционником. А в процессе непрерывного нагрева я не вижу никакой разницы в использовании котла или колонки, оба агрегата работают в режиме проточного нагревателя. Но это только с моей колокольни...

 

Но только не забываем посмотреть что выходы на трубы для гвс 1/2, а для отопления минимум 3/4, это уже говорит что у котла для СО и котла ГВС должно еще быть отличие и по теплообменнику и по трубам, ну и конечно по потоку. Я бы лично даже бы и не стал для обогрева брать котел который предназначен для ГВС .

 

У меня родственники используют для теплых полов свой газовый накопительный Аристон на 120 литров, изначально предназначенный для получения только горячей воды (мытье посуды, душ и т. п.). Поставили распределительный коллектор, насос и гоняют через эту колонку отдельным контуром горячую воду для теплых полов (медная трубка), нужную температуру регулируют краном (собственно один раз подобрали, так все и работает). И так уже около 10 лет, все работает исправно, дом для постоянного проживания.
Я тоже, когда планировал нагрев бассейна, то чесал репу, не сделать ли так же (проще сделать подвод к бассейну), но потом отказался от этой идеи, когда нынешнее лето подтолкнуло к нагреву и павильона для настоящего комфортного купания в теплой воде. А там мощность маловата, где-то 7-8 кВт, на все не хватит (на обогрев и павильона и воды),а так бы я реализовал нагрев воды именно от такой колонки для "изготовления" только горячей воды для умывания.
Это я к тому, что не следует слепо доверять производителю и использовать что-то только в перечисленных в паспорте случаях. Главное понять, что это оборудование делает, какие имеет ограничения и тогда его обычно можно приспособить совсем под другие задачи, для решения которых специальное оборудование обычно имеет совсем другую цену (оно как бы специализированное). Это конечно все упрощенно я изложил, но иногда это выручает, когда нет возможности приобрести что-то оригинальное.

 

@vagorzel,
Спасибо за помощь и направление по правильному пути. Заказал Elecro на 30 кВт. Завтра привезут.
На выходных планирую поставить и попробовать. потом буду разбираться с циркуляционником первичного контура и газовой колонкой.

 

Да я его и не покупал. Он просто был в наличии, лежал в сарае.

 

Я просто любитель, так бы я поступил для себя. Но правильно это или нет - неизвестно, так как никто из специалистов по теплотехнике не нашел время оппонировать моим выкладкам. Так что получается, что пока все в тумане, пока не пройдут пробные испытания. Немного смущает по нашим расчетам скорость в первичном контуре теплообменника, по характеристикам имеющихся двух теплообменников (параллельно) и планируемого Elecro, потеря напора в теплообменнике будет примерно одинаковой (~ 0,7 метра) и имеющимся циркуляционником навряд ли удастся дотянуть поток до 1,1 м3/ч, чтобы взять от колонки всю мощность в 19 кВт, вероятней всего придется менять насос на более производительный. Я и сейчас подтверждаю, что имеет смысл поменять его на 25-100, будет (возможно) запас по мощности по первичному контуру, если получится потом поставить более мощный нагреватель (колонку или котел). Но без замены насоса во вторичном контуре уже теплообменник станет слабым звеном, по графикам нужно скорость в его первичном контуре увеличить в 4 раза, чтобы снять мощность в два раза больше. Но это все прикидочные расчеты, нужно смотреть, что будет на практике.

 

А может стоит в первичный контур поставить расходомер? Тогда можно будет точно знать скорость потока. Вот такой: