Подсказки для самостоятельного изготовления теплового насоса

Да ладно, чего там бояться? Не капиллярка ведь перед испарителем.
А ТРВ тогда для чего нужен? Он все равно не даст как следует затопить.
Тогда уж надо хотя бы ЭТРВ. И переохлаждать жидкий фреон перед подачей на ТРВ желательно почти до температуры кипения. А то он уже из ТРВ вперемешку с паром брызжет.

 

Здравствуйте, подскажите можно ли использовать теплообменники кондиционера для теплового насоса, просто поместив их в емкость с водой?

 

Годятся. Хаусмастер как-то фото выкладывал, как немцы самодельщики делают. У нас тоже опыт есть. Только в такизх конструкциях с теплообменными характеристиками не очень, гидравлика мутная.
Но, работает.
Ставят так же вместо штатных простые водо-водяные теплообменники, и пластинчатые и труба в трубе, это лучше гораздо.

 

А если теплообменник внутреннего блока поместить в трубу и создать там поток воды по спирали для увеличения скорости потока?

 

Попробуйте, расскажете =)
Хуже-то, всяко, не будет.

 

Использовать то конечно можно. Целесообразность под вопросом.
Разве только если других нет, а эти девать некуда, тогда да.
Специально приобретать думаю не стоит.
Наружное оребрение трубы сделано для того, чтобы компенсировать разницу в коэффициентах теплоотдачи воздуха снаружи и фреона внутри.
Разница может достигать 50 раз, в зависимости от скорости воздуха.
Вязкость воздуха и другие свойства намного отличаются от жидкости
в которую помещают теплообменник.
В случае с оребренной трубой создать турбулентный поток жидкости в непосредственной близости от трубы сложнее. Из-за большей вязкости будут застойные зоны, мешающие интенсификации теплообмена путем перемешивания (турбулизации) потока.
Теплообмен в таких местах будет идти только посредством теплопроводности.
Теплопроводность воды низкая 0,58, у гликолей ещё меньше, без конвекции
никуда не годится по сравнению с алюминием (200) или медью (400) из
которых делают трубы и оребрение.
У воздуха вообще 0,02 зато вязкость маленькая.
В этом случае можно применять очень густое оребрение, с высотой ребер в 10-20 раз больше толщины. Толщина при этом 0,2-0,5 мм. Расстояние между ними ограничивается условиями образования инея.
Теплоотдача у жидкостей намного лучше, поэтому длина ребра возможна всего раза в 2-4 больше толщины, в зависимости от теплопроводности материала из которого его изготовили, да и профиль желательно треугольного сечения. Вязкость не позволяет располагать слишком часто.
Длиннее делать бессмысленно, температура ребра по мере удаления от трубы снижается из-за ограниченной теплопроводности применяемого материала.

Поэтому в самодельных теплообменниках из обычной трубы можно получить лучшие результаты на воде, просто увеличивая скорость. Помогут эффективности короткие, толстые и редкие треугольные ребра.
Для воздуха длинные, тонкие и частые.
Ну и направление протока вдоль оребрения трубы желателен.

 

Ждем продолжения темы с нетерпением. Хочу сделать себе насос!

 

Да-да праздники кончились, голова прояснилась...

Я тут взялся осваивать слепой метод печати на клавиатуре, просто интереса ради, пока не надоело вместо всяких " аааооо ааооааллл палопаолпа " пытаюсь медленно строчить по часику в день осмысленный текст. И мне полезно, а может кому ещё пригодится.

Итак продолжаем размышлять.

Теперь давайте все же разделим для наглядности.
Чтобы было более понятно откуда что взялось.
Можно смоделировать в электронных программах, а можно
взять характеристики хладагента на линии насыщения и применить
к конкретному компрессору.
Первый способ проще, второй точнее и универсальнее.
В любом случае строить для экспериментов реальный ТН пока рановато.

Рассмотрим ТН работающий в 2 крайних режимах. Пусть надо 10 kW тепла.

1 случай - февраль, подачу в радиаторы надо 45-48, грунт вокруг коллектора уже остыл до 0, где-то даже подмерз. Рассол в районе -3 / -6.
Фреон возьмём R22, чтобы пока не путаться с глайдом.
Обычный ТРВ обеспечивающий перегрев после испарителя 6-9 град.
После конденсатора обычное переохлаждение 5-7 градусов.
Режим нужен -10/+55. Для того чтобы получить 10 kW тепла подойдет компрессор с объемной производительностью 13 м3/час. СОР будет примерно 2,4. (10 / 4,1)
Потерями во всевозможных трубах пока пренебрегаем, накинем всего 0,1 kW для порядка.
Также не будем пока морочить себе голову изоэнтропическим сжатием.
Плотность пара при -10 15,3 кг/м3. При отношении давлений 6,3 (22 бар / 3,5 бар) велики потери на нагнетании и спиральный компрессор вместо
13 м3/час * 15,3 кг/м3 = 200 кг/час осилит максимум 75 % - 150кг.

Компрессор потребляет 4,1 kW на откачку 150 кг/час и сжатие,
испаритель должен внести свою долю - 6 kW.
Вода при -10 замерзнет, поэтому в трубах рассол, но для удобства сравнения расчет произведём используя теплоемкость воды.
Чтобы получить 6 kW через испаритель надо прокачивать 5,1 м3/час воды, охлаждая её на 1 градус, или 1,7 м3/час отнимая 3 градуса.

2 случай – пока ещё самое начало зимы, земля +7, подача в теплый пол +35.
Надо получить те же 10kW.
Подойдёт режим 0/+40. Достаточно компрессора с объемной производительностью 9 м3/час. СОР будет 4,7 (10 / 2,1) Отношение давлений 15бар / 5бар = 3.
Самое оптимальное для спиральника. Плотность пара при 0 град 21,2кг/м3
Потери сжатия небольшие (10-15%) и при таких условиях меньший компрессор откачивает уже более 170 кг/час фреона, а потребляет всего 2,1 kW. Конденсатор дает 10 kW, испаритель должен дать 8 kW.
Для этого потребуется прокачивать 6,9 м3/час воды при дельте 1 градус или
2,3 м3/час при 3 град.

При одинаковой мощности по теплу получаются разные ТН,
с разной производительностью компрессоров (в 1,45 раза), кроме того
в 1 случае простой спиральник будет работать на границе своего диапазона,
разной мощностью теплообменников-испарителей (1,35 раза),
с разными расходами теплоносителей.
Конечно неплохо для каждого случая применять свою конструкцию ТН.
Но учитывая, что условия и для 1, и для 2 случая могут случиться в одном месте, надо выбирать более мощный вариант для запаса.
Обратите внимание, что хотя в первом случае нужен мощнее компрессор, во втором больше мощности должен дать испаритель.
В итоге получается компрессор не слабее чем в первом случае, испаритель не меньше чем во втором. Минусы унификации – рассогласование узлов почти в 2 раза (грубо 1,45*1,35), с одновременным удорожанием конструкции.
Поэтому сложно точно ответить какой теплообменник нужен?
В каждом случае – свой.
Занижать никак нельзя, из за этого основная масса неудач, остается только переразмеривать, но в разумных пределах.

 

Бытовые ТН несмотря на высокую стоимость, которая складывается совсем по другим причинам, имеют простую конструкцию.
Простота - залог того, что устройство проработает без квалифицированного обслуживания многие годы. Вспомните свой старый домашний холодильник с капилляркой. Чаще всего выходила из строя лампочка или её выключатель. По мере того, как туда стали добавлять всякие штучки – оттайку, тэны, вентиляторы, подогревы проема, раздельное регулирование зон, второй компрессор, водоохладители, выход в интернет наконец и контроллер всем этим управляющий, о былой неубиваемости пришлось забыть.
То же можно сказать о ТН: по мере усложнения снижается надежность.
Если без контроллера уже не обойтись, то и дополнительные возможности управления, индикации, дистанционного мониторинга надежность самого контроллера вряд ли уменьшат.
А вот усложнение технической конструкции производители делают очень неохотно.
Решения которые применяется сплошь и рядом в промышленном или коммерческом холоде, в бытовом ТН встретишь редко.
Дополнительное усложнение снижает надёжность, при этом требует дополнительного обслуживания и контроля.
Тот кто себе самостоятельно делает ТН наверно должен сам его в дальнейшем и обслуживать.
Плохо сделает – больше возни в будущем.
Любители самого процесса могут взять некоторые штучки из промхолода.
Когда мощности измеряются тысячами киловатт (то есть мегаваттами)
каждый лишний процент эффективности может вылиться в приличные
деньги. А разбрасываться туда сюда по 30% (как я делал выше для упрощения расчётов) точно никто не позволит.
Найдут другого счетовода.

 

Вернёмся к штучкам.
Выше в качестве примера были 2 ТН
Чтобы определить размеры теплообменников нужно ввести данные о
температурах, расходах, теплоносителях в любую программу
подбора от Альфа Лаваль, Свеп, Данфос и т. д.
Получите на выходе рекомендуемый.
Позже попробуем рассчитать вручную и не только ПТО.
А пока обратите внимание на массовый расход фреона:
1 случай - 150 кг/час t кипения -10 испаритель даёт 6 kW
2 случай - 170 кг/час t кипения 0 испаритель даёт 8 kW
Вроде все логично. Но надо проверить. Смотрим характеристики R22.
При -10 удельная теплота парообразования 213,13 кДж/кг
Умножаем на 150 кг, делим на 3600 получаем 8,88 kWh
При 0 205,36 * 170 / 3600 получаем 9,7 kWh

А куда делись 8,88-6 = 2,88 kWh в первом случае,
и 9,7-8 = 1,7 kWh во втором?
Ведь в испарителе фреон испарился - тепло отобрал,
в конденсаторе сконденсировался-отдал.
Считаем по конденсатору:
теплота выделяемая при конденсации + 55 148 кДж*150/3600 = 6 kWh
при конденсации +40 167кДж*170/3600 = 8 kWh
Вроде сходится.
В первом случае компрессор добавил 4 kW при сжатии - получилось 10.
Во втором случае компрессор добавил 2 kW при сжатии получилось тоже 10.
Смотрим что творится дальше после конденсатора.
Вроде все хорошо.
Переохлаждение обычное 5-7 градусов, больше чем достаточное для стабильной работы без всякого преждевременного вскипания, жидкий фреон заполняет небольшую часть конденсатора не мешая конденсации.
Но температура входящего в ТРВ жидкого фреона на 60 градусов превышает температуру кипения в первом случае и на 35 градусов во втором.
Уже вылетая из сопла ТРВ, фреон вскипает охлаждая сам себя.
При -10 теплота парообразования 213,13 кДж/кг, а жидкость имеет избыточную энтальпию 263,43-188,40=75 кДж/кг
35% фреона по массе должны превратиться в пар еще не коснувшись стенок испарителя и откачаться компрессором. Вот они наши 2,88 kW из 8,88.
Остальные 65% участвуют в полезной работе, кипя и охлаждая рассол.
Пар сразу занимает приличную часть объема испарителя, мешая теплообмену.
По мере выкипания по ходу парожидкостной смеси соотношение увеличивается, на выходе испарителя должен остаться только перегретый на 7-9 градусов пар, за этим следит ТРВ.
Получается совсем отвратительная ситуация если испаритель рассчитан исходя из теплоотдачи жидкого фреона. Когда там львиную долю поверхности омывает пар - о какой расчетной теплоотдаче можно говорить.
И компрессор совершенно бесполезно перекачивает раз за разом этот лишний объем в 3,43 м3/час (150 кг*0,35 / 15,304 кг/м3) потребляя энергию между прочим.

Выход сразу напрашивается такой:
Надо всего лишь снизить температуру жидкости на входе в ТРВ до температуры кипения.
В нашем первом случае необходимая объемная производительность компрессора снизится на 3,43 м3/час.
До 13-3,43= 9,6 м3/час.
Во втором случае эффект будет меньше (243-200)/205,36 = 20% по массе.
Лишний перекачиваемый объем 170*0,20/21,213 = 1,6 м3/час
9 - 1,6 = 7,4 м3/час
Но компрессоры уже ближе друг к другу.
Кроме того!
За счет лучшего заполнения испарителя жидким фреоном его не надо сильно переразмеривать из-за пара. Пар будет только на выходе, в зоне перегрева.
Которую тоже можно уменьшить применяя ЭТРВ или регенератор.
Вот дальше начинаются сложности из за которых в бытовых устройствах и не
хотят применять более сильное переохлаждение. Максимум регенеративный
теплообменник, чтобы убрать зону перегрева из испарителя.
А то что там уже на треть паров, хоть и просто насыщенных а не перегретых
-закрывают глаза.

То что должен быть отдельный теплообменник это понятно всем.
А где взять -10. В испарителе то есть, но нужно искать в другом месте.
Полезной среды с такой температурой под руками как раз то и нет.
Охлаждать уличным воздухом – выбросить на улицу 2,88 kW из 8,88.
Вот и получается что задача вроде простая, но сложная при серийном
изготовлении ТН.
В каждом отдельном случае нужно свое решение.
Можно сделать двойной теплообменник-испаритель, где внутри
кипящего фреона охлаждающего рассол, проходит дополнительный
змеевик для переохлаждения жидкаря.
Надо рассчитывать и делать самому, в пластинчатый змеевик уже не засунуть.
Можно предварительно охлаждать входящим рассолом, затем выходящим.
Сразу выходящим как то жалко.
Надо 2 теплообменника и все равно не будет -10, а часть теплоты в итоге уходит в грунт.
Может вернуться а может и нет, если внизу водоносный слой.
В промхолоде решают проблему в двухкомпрессорных системах, с двумя разными температурами кипения.
У кого есть принудительная вентиляция - подогревать входящий воздух.
А когда потеплело?
Может какому холодильщику проще собрать дополнительный маленький второй ТН для переохлаждения жидкого фреона в первом-отопительном.
А кому и один не по зубам.
Думаем дальше…

 

Технические характеристики готовых ТН - мощность, потребление, расход и т.п. даются при определённых условиях, например B0W35 или B0W55, это значит, что при входящем в ТН рассоле (Brine) c температурой 0 градусов по Цельсию мы получаем воду (Water) с температурой +35 или +55 градусов.
Температура кипения будет на 5 градусов меньше -5 град., а конденсация на 5 град больше, +40 и +60 соответственно. Такое изменение температуры конденсации не требует изменения конструкции ТН.
ТН вода /вода от рассольных отличается невозможностью работы при минусовых температурах кипения, обозначается W10W55 например, кипение при +5, конденсация +60.
В случае дальнейшего значительного снижения температуры кипения в рассольных ТН уже потребуется изменение испарительной части, для лучшего согласования падающей холодопроизводительности компрессора.
Или понадобится другой, более производительный компрессор.

Давайте пройдёмся по цепочке мук выбора ТН.

 

1. Определяем мощность источника тепла для системы отопления жилища.
Наверно она не должна быть меньше его теплопотерь при комфортной для человека температуре внутри жилища и минимально-возможной температуре снаружи.
2. Прикидываем процент бивалента, то есть какую часть в годовой потребности тепла даст Вам тепловой насос.
Установив ТН мощностью примерно 70% от максимальной необходимости в тепле, вы всё равно покрываете им более 90% годовой потребности.
В те несколько очень уж морозных дней в январе-феврале можно подогревать дом резервным источником, не обязательно весь, можно просто перетерпеть, кому что по душе. Решать Вам, можно всё взять от ТН, но резон сократить
капитальные затраты на целую треть есть, и не малый.
3. Далее надо выбрать тип отопительных приборов.
Это очень важный шаг. Увеличение температуры выходящей из ТН воды
на один градус снижает его холодопроизводительность на 1%, а СОР примерно на 3%.
То есть используя вместо теплых полов (с температурой воды в них +35) радиаторы с подачей +55 и получая одинаковую тепловую мощность, надо будет платить за электричество для привода компрессора на 60% больше. Также придётся установить примерно на 10% мощнее сам ТН, чтобы компенсировать потерю 20% холодопроизводительности.

4. Выбор источника низкопотенциального тепла, которое будет использовать ТН - ещё один важный шаг. Понижение температуры источника тепла для ТН
на каждый градус снижает и холодопроизводительность и СОР на 5%.
То есть снизив температуру кипения на 20 градусов потеряем в 2 раза холодопроизводительность и СОР, значит чтобы получить ту же тепловую
мощность в конденсаторе понадобится ТН с компрессором в 2 раза производительнее, потребляемая мощность вырастет также в 2 раза.
Зимой в средней полосе России выбор небольшой, или вода из скважины или грунтовый коллектор, начальная температура примерно одинаковая. Только грунтовый коллектор легко можно загнать в минус и получить вышеуказанную катастрофическую потерю эффективности, вода из скважины этого сделать с собой не позволит.

Рассмотрим на примерах.
Предположим, что максимальные расчетные теплопотери дома 20 кВт, правда
90% всего времени вполне достаточно 14 кВт, но человек решил отказаться от бивалента и покрывать всё ТНом рассол/вода. Также не стал возиться с тёплыми полами, а решил обойтись радиаторами. Площадь их подобрал под температуру подачи +55.
ТН тепловой мощностью 20 кВт в режиме B0W55 будет потреблять 8,5 кВт СОР=2,4 покрывая 100% теплопотерь в пиковые холода, но основное время он будет работать не более чем на 70%, а то и меньше. Компрессор в нём должен быть объёмной производительностью не менее 22 м3/час. Регулирование выдаваемой мощности в обычных ТН производится старт-стоповым методом. 30 минут работает/ 30 минут стоит – это и есть 50% мощности.
100% мощности - работа без остановки. Для сглаживания колебаний температуры теплоносителя надо применять буферный теплоаккумулятор – утеплённый бак литров на 300-500.
Такой же Т. насос, но при работе на теплый пол в режиме B0W35 будет потреблять 5 кВт при СОР=4 выдавая 20 кВт тепловой мощности. Для сглаживания колебаний от старт-стопового режима ТН при частичных нагрузках достаточно будет инерции теплого пола, можно обойтись без буферных ТА.
Но гораздо разумнее было бы установить более дешевый ТН тепловой мощностью 14 кВт, (компрессор объёмной производительностью 17 м3/час), в режиме B0W35 на тёплый пол потребление 3,5 кВт, меньше пусковой ток, более равномерная работа на частичных нагрузках и приличная экономия на грунтовом коллекторе. Кроме экономии 30% на стоимости ТН, длина, а соответственно и стоимость необходимого рассольного контура тоже будут на 30% меньше.
Минус только один – в холода, когда заниженной мощности ТН не хватает надо использовать дополнительный источник тепла. Но по статистике – всего несколько дней в году, чаще ночью, а может и вообще обойдётся.
Теплый пол с подачей +35 вместо радиаторов +55 поможет выгадать 65% в эксплуатационных расходах.
При СОР=4 потребление электричества в 1,65 раз меньше чем при СОР=2,4.
Конечно годовые результаты будут несколько отличаться, как в худшую сторону но также могут и в лучшую.
Недостаточное утепление может вообще лишить смысла использовать для отопления ТН.
Вариант с подачей в радиаторы +55 и 100% покрытием мощности тоже вариант более чем сомнительный. Зачем ставить дорогущий комплект ТН/рассольный контур с потреблением электричества 8,5 кВт, если большую часть отопительного сезона можно обойтись электрокотлом 10-14 кВт
стоимостью три копейки.
А разницу в цене потратить на разницу в потреблении лет на ...адцать и без всяких грунтовых коллекторов.

 

Красафчег !

Могу только добавить, что по регионам эта цифра пляшет. В Германии 65% от пиковой нагрузки даёт покрытие в 98%. Для уточнения по каждому случаю рекомендую погуглить базы данных метеоцентров и прикинуть длительность пиковых нагрузок.

 

Вот-вот! В каждом случае, в зависимости от региона - бивалент свой.
Также своя специфика выбора типа ТН - вода/вода, рассол/вода,
воздух/вода или просто воздух/воздух.
В фирме-установщике ТН это прекрасно знают и должны учитывать при работе
с клиентом.
А работа может быть разной - часто доходит до впаривания тех моделей, которые есть в данный момент на складе.
В моей округе все столбы облеплены предложениями от одной назойливой фирмы,
ну просто требуют купить у них с установкой ТН насос воздух-вода.
Уверяют, что это самый лучший выбор на сегодняшний день для МО.

 

Что такое СОР ? (Coefficient of performance) или КОП по-нашенски.
От чего зависит этот коэффициент преобразования, почему разные производители насосов стараются указать у своей модели СОР лучше, чем у модели конкурента ?
Почти 200 лет назад уже была известна простая формула.
Тогда ещё ни о каком знании строения вещества речь не шла.
Но формула прекрасно работала в паровозах и работает до сих пор
в современных тепловых двигателях.
Коэффициент полезного действия тепловой машины.

КПД = (Тн - Тх) / Тн

Тн температура нагревателя в градусах Кельвина
Тх температура охладителя в градусах Кельвина

Считается что Кельвин 150 лет назад тоже приложил руку и голову к
идее ТН, первый ТН несколько лет спустя построил австриец Риттенгер,
практическое использование началось 70 лет назад, а особенный интерес
возник 40 лет назад в связи с проблемами энергосбережения.
В тепловых насосах КПД тепловой машины перевернули вверх тормашками
и назвали коэффициентом преобразования (трансформации)

СОР = Т out / (T out - T in)

где Т out температура выхода (нагревателя)
T in температура входа (охладителя)

Это так называемый идеальный коэффициент.
В реальности его надо умножить ещё на коэффициенты:
- потерь, связанных с неидеальностью тепловых процессов, протекающих в испарителе и конденсаторе, из-за неидеальности теплофизических характеристик хладонов
-необратимых потерь при сжатии
-потерь механических (трение и т. п.) в компрессорах
-потерь механических и электрических в двигателях
и прочих, таких как трение в трубах и т. п.

Для справки – КПД компрессора, в зависимости от его
типа и мощности колеблется от 0,2 до 0,8

Для наших типов (поршень, спираль, ротор) и мощностей в единицы киловатт - не более 0,5- 0,7

КПД электропривода с мех потерями 0,7-0,95.

Берём стандартный B0W35 кипение -5 = 268 по Кельвину.
конденсация +40 = 313 по Кельвину.

313 / (313-268) = 6,5 Это идеальный коэффициент.
Умножаем на 0,7 и 0,9 получим 4,1 в лучшем случае.
Учитывая остальные потери будет уже около 4. В жизни где то так и бывает.
Отчего при одинаковых температурах на входе и выходе
могут быть разные СОР у разных ТН.
Наверно Карно тут не причём. Виноваты коэффициенты потерь
в компрессоре и электроприводе. Если достичь больше 0,7 и
0,95 соответственно очень сложно, то меньше – всегда пожалуйста.
Китайские товарищи с легкостью нам это доказывают.
Можно несколько повысить СОР другим способом, если применить в
ТН другие теплообменники, которые позволят уменьшить разницу между температурой кипения и входящим рассолом и сделать её меньше стандартных 5 градусов, ну скажем 2.
Так же и на высокой стороне, если разницу между температурой конденсации и выходящей водой сделать тоже 2 градуса.
Тогда идеальный СОР будет 310 / (310-271) = 7,95
С учётом 0,7 и 0,9 результирующий СОР получится уже 5.
Но такой способ может сделать ТН золотым, он возможен лишь с
увеличением эффективности теплообменников, со своими возникающими при этом проблемами.
Китайские товарищи на это вряд ли пойдут, СОР тем не менее
указывают иногда завышенный. Может КПД электромоторов
у них выше 0,99 ? И cos фи для них не указ.
Или придумали новый метод китайского изоэнтропного сжатия без потерь в своих компрессорах.
Вряд-ли. К пределу совершенства подошли уже давно и на этом типе оборудования перешагнуть планку можно только в рекламных слоганах манагеров.