Теплообменник для ТН, использующего тепло замерзающей воды

РЕКЛАМА НА ФОРУМХАУС

Интересен сам процесс поиска решений и развития технологий по S кривой.

150 лет назад для получения 1 кг льда требовалось сжечь 4 кг угля.
Предложи кому использовать получение льда для отопления?

Получение 0,092 кВтчас теплоты происходит при кристаллизации 1 кг воды.
И сравнить с этой цифрой выделение 22 кВтчас при сжигании 4 кг среднего по качеству каменного угля со средней теплотворной способностью 20 МДж/кг
Антрацит и кокс (31-34 МДж/кг) и ныне продающийся бурый угольный мусор вперемешку с породой (10-15 МДж/кг) в учёт не берём.
Просто так спалив 4 кг угля в печке мы получим в 250 раз больше тепла, чем от замерзания 1 кг воды.

По нынешним временам, при применении ХМ с не таким уж и большим КПД (около 50%) чтобы получить 1 кг льда и поднять при этом уровень выделяющейся теплоты с 0 С до +40 надо затратить 0,03 кВтчас электроэнергии.
Эти 0,03 кВт тоже пойдут вкладом в отопление.
Итого получается 0,12 кВт тепла с кристаллизации 1 кг льда (0,09 кВтчас) при расходе электроэнергии 0,03 кВт в режиме работы ТН -5/+40

Чтобы получить 1 кВтчас электроэнергии надо спалить на современной угольной электростанции с
КПД 33% 0,54 кг угля с такой же теплотворной способностью (20 мДж/кг).
Тепло (67%) от сгорания угля остается на ТЭС
Для получения 0,03 кВтчас стало быть нужно всего 16 грамм угля с учетом всех потерь и издержек.
Сравниваем с 4 кг от 150 летней давности.
Потери при получении 1 кг льда уменьшились в 250 раз (4 кг/0,016кг)

Ничего эта цифра не напоминает?
Посмотрите, 150 лет назад, просто спалив в печке 4 кг угля мы бы получили то же самое количество теплоты для отопления, которое получаем сейчас, неважно, замораживая ли воду или охлаждая геотермальный контур при нулевой температуре ТН с СОР 4, работающем на электроэнергии, вырабатываемой на современной ТЭС при сжигании тех же 4 кг угля.

Чтобы компенсировать 50% потерь от потребления компрессора ТН и 67% тепловых потерь на ТЭС необходимо 3/4 теплоты в домашней смстеме отопления брать от окружающей среды (в данном случае от замерзающей воды или грунтового контура).
ТЭС в свою очередь 2/3 тепла от сжигания угля или газа выбрасывает в окружающую среду.
Круговорот бабок в природе.
Конечно, уголь для сжигания в домашней печи не очень удобен, но вот газ, на котором у нас в России электричество тоже повсеместно вырабатывается, без всех этих хлопот с преобразованием энергий, потерь в окружающую среду, установок ТН с различными теплообменниками, можно было бы просто и легко сжигать в домашних котлах.
Не нужны будут ТН, не нужны излишние мощности ТЭС, меньше будет теплового и прочего загрязнения окружающей среды
Но тогда прервётся цепочка, позволяющая на бессмысленном преобразовании энергий зарабатывать бабки производителям электроэнергии.
Чтобы цепочка не порвалась, разница цен на топливо для населения и для электростанций должна поддерживаться, чтобы конечная стоимость электроэнергии с учетом всех потерь не слишком отличалась от определённого сложившегося уровня цен на остальные энергоносители.
Для разных видов топлив, регионов и климатических зон это отношение может колебаться.
Тем не менее, это позволяет использовать ТН для снижения затрат на отопление, хотя если присмотреться внимательнее к абсолютным цифрам теплотворной способности топлив, цен на них, КПД выработки электроэнергии, цен на неё, то реальной экономии в глобальном масштабе, при СОР=4 ещё не наступает.
Но с учётом местных условий, даже СОР ТН от 2 и выше уже заставляет народ приступать к подсчётам периода окупаемости.
Далее, в зависимости от попавшихся на глаза цен возникает или стойкое убеждение в бредовости идеи
ТН за 1 млн руб, когда подводка газа или газгольдер стоит 0,3 млн или решительный "энтузиазизм", когда за газ просят от 1 млн и выше, а ТН можно установить за 0,3 млн, послав лесом углеводородные газгольдер и солярку, тот же простенький ТН "китаец" + бюджетную многоэтажку вместо небюджетных по бурению геозондов или замораживатель воды вместо артезианской скважины.

 

Мне интересно Ваше мнение на счет перспектив отопления с помощью льда.
Если возможно, то дайте развернутый комментарий.

 

Ну что-же. Попробую выразить свои мысли.
Коротко не получится, но постараюсь.
Про глобальную экономическую целесообразность тепловых насосов я говорил чуть выше.
Напомню.
При уровне КПД электростанций 0,35 для угольных, 0,55 для газовых и КПД моторкомпрессора теплового насоса 0,55 общий КПД производства тепла будет 0,35 х 0,55 = 0,2 для ТН работающего от электричества из угля и 0,3 для ТН на электричестве из газа.
И много побочного тепла, которое выбрасывается в атмосферу на ТЭС.
Если ТЭС расположена в городе, то частично зимой это тепло используется в ЖКХ.
Если опустить для упрощения (или условно посчитав равными друг-другу) потери электричества в линиях электропередач и потери (КПД) при прямом сжигании топлива в печи (котле), тогда получение такого же количества тепла с помощью ТН (как при прямом сгорании в котле) наступает при СОР=3,3 для ТН работающего на электричестве из газа и при СОР=5 для электричества из угля.
Эти показатели как раз балансируют вокруг глобального КПД равного 1 и учитывают только теплотворную способность и КПД цепочки преобразования. Условно, то же самое количество тепла, которое выброшено в окружающую среду на ТЭС при производстве электроэнергии, затем тепловой насос снова из окружающей среды взял. Вот глобальный КПД и получается около 1

Но, обычного среднестатистического индивидуала и нас с Вами в том числе, глобальная целесообразность мало интересует, своя рубашка ближе к телу, нас интересует целесообразность для местных условий, то есть интересуют цены на энергоносители в конкретных местах.
А местные условия таковы, что один киловаттчас тепла, полученный от электричества, не намного отличается по цене от киловаттчаса тепла, полученного при прямом сгорании топлив, доступных на розничном рынке энергоносителей.
Отдельные виды топлива, по разным объективным и необъективным причинам, не будем уточнять по каким именно, могут выбиваться из этой закономерности, как например природный газ в России.
Но дешевизна газа легко нейтрализуется "плавающей" стоимостью подключения к трубе, причём этот процесс происходит автоматически по законам нашей "рыночной экономики", заточенной на получение максимальной выгоды во всём и везде.
Не будем сейчас подробно обсуждать политику Газпрома, все всё и так понимают...
Это в другую тему на этом форуме.

Речь здесь про то, что в результате всей этой иррациональной экономики энергетики, для тепловых насосов всё же остаётся вполне приличная ниша.
Уж коль мы не можем получить топливо для отопления своих жилищ по реальной его стоимости, а получаем в 3-5 раза дороже, судя по ценам на электричество, вырабатываемого из того же топлива, то возникает желание сразу использовать электричество для ГВС и отопления, а уж по ночному тарифу и подавно.
Если повысят цены на электроэнергию, оставив цены на топливо на том же уровне, то появится желание снизить расходы покупной электроэнергии в пользу повышения доли топливных обогревателей и даже возможно появится желание обзавестись собственной электростанцией.
Сейчас производство собственной электроэнергии на газовой когенерационной установке обходится дешевле электроэнергии покупной, а на дизельной пока дороже.
Но если цены на электроэнергию поднимут, то уже и дизельная когенерация будет рентабельна.
Останавливают цены и мощность этих установок.
Для одного хозяйства много, но для группы, товарищества или компании уже как раз.
Создаётся ощущение, что такой паритет цен на топливо и электроэнергию будет поддерживаться и дальше. Вспомните 4 коп за квтчас и 40 коп за литр 93 бензина в 80 годы и параллельный рост в последующие 30 лет до нынешних 3 руб/квтчас и 30 руб за литр бензина или дизтоплива сейчас.
И строй сменился с социалистического на капиталистический и деноминация была и обмен денег и дефолт и приватизация и... Да чего только не было, а пропорция осталась.
Ну раз пропорция сохраняется, то можно попытаться снизить расходы на отопление,
взяв теплоту бесплатно от окружающей среды, а с помощью теплового насоса довести эту теплоту до приемлемого для отопления дома температурного уровня.
Для этого нужно затратить дополнительную энергию.
Всего 1/4 от получаемого тепла для отопления.
Но засада в том, что сложившаяся стоимость теплового насоса и теплообменников для сбора низкопотенциального тепла окупают эти 3/4 экономии по разному.
В некоторых случаях через 5 лет, или 10 лет, в других только к концу срока эксплуатации, в иных совсем не окупают.
Всё зависит от климатических условий, в которых предстоит работать теплосборникам и стоимость
их обустройства.
Многие, в регионах с холодной зимой из-за этого скептически относятся к теплонасосоной технологии, хотя в других местах, там где климат теплый, ТН завоевали прочные позиции, ввиду использующихся недорогих воздушных теплообменников при плюсовых и околонулевых температур.
Использование воздушных ТН при отрицательных температурах воздуха резко снижает эффективность сбора низкопотенциального тепла, усложняет конструкцию компрессорного агрегата и теплообменников, что ведёт к удорожанию самого устройства, также к повышению эксплуатационных расходов и снижению рентабельности.
Достоинство воздушных ТН только в компактности и быстроте монтажа.

Грунтовые ТН работают при околонулевых температурах кипения, что позволяет использовать более простые и недорогие компрессорные блоки, но требуют разветвлённых подземных грунтовых теплообменников, горизонтальных или вертикальных, достаточно дорогостоящих при оптимально подобранных размерах и неэффективных при недостаточных размерах и даже опасных в этом случае для недорогого высокотемпературного компрессора из-за падения температуры кипения.

Замена гликолевых коллекторов или зондов на прямое испарение особо общую картину для потребителя не поменяет, технология видоизменяется, стоимость практически нет.

Замена грунтового теплообменника на воду из скважины и слив в другую обеспечит гарантированно безопасную работу недорогому высокотемпературному компрессору, но подвергнет опасности замораживания теплообменник-испаритель. Следовательно дополнительно потребуется промежуточный гликолевый теплообменник, что несколько снизит общую эффективность, хотя она останется на достаточно высоком уровне, по сравнению с другими типами ТН.
Но зато стоимость обустройства скважин для мощных ТН, скважинный насос с постоянной производительностью несколько кубов в час, становящийся практически расходником в зависимости от глубины до зеркала воды, качество воды, фильтры, обслуживание всего этого, заставляют задуматься о целесообразности этого варианта для себя.

После краткого перечисления вариантов мы подошли к мукам выбора оптимального.
Итак.
Хотелось бы околонулевой температуры кипения, как у воздушника в межсезонье или у грунтовых теплообменников, чтобы использовать дешевый высокотемпературный компрессор без всяких впрысков, да и эффективность при нулевых температурах кипения подходящая.
В то же время хотелось бы отказаться от грунтового коллектора, также отказаться от вертикальных зондов и от двух скважин, питающей и принимающей с достаточными дебитами.
Взаимоисключающие получаются хотелки однако.
Вот тут и пригодился бы теплообменник-льдогенератор.
Скважина или колодец есть так и так.
Для 10 кВт ТН работающего в старт-стопном режиме 20 часов в сутки из 24, потребуется 1,6 м3 воды в сутки на заморозку.
Это в 20 раз меньше 32 м3 воды в сутки для обеспеченияя потребности ТН вода-вода с дельтой 4 К и такой же суточной производительностью по теплу.
Ясно, что никакой колодец 32 м3 в сутки воды не даст, а 1,6м3 в сутки вполне реально.
Значит от необходимости бурения скважин для водоснабжения ТН ушли, ну а для водоснабжения дома - что кому предпочтительнее. Одного любого источника хватит и для ТН и для дома.
Температура кипения, в зависимости от конструкции теплообменника, не должна уйти значительно ниже нуля, значит недорогой компрессор имеет право на жизнь в этом ТН.
Декабрь, январь, февраль, март можно использовать ТН на недорогом компрессоре с теплообменником- льдогенератором с температурой кипения около -5.
При температуре конденсации +35 СОР=4,5
При +40 СОР=4.
При температуре +50 СОР будет 3.
Тут уже по желанию - хочешь макимальной эффективности, делай тёплые полы.
Хотя у них тоже есть свои недостатки, для ТН это оптимальный вариант.
Для радиаторного отопления придётся увеличить их количество и пожертвовать СОР
Можно использовать промежуточный компромисс - фанкойлы.
Но далеко не всем нравится постоянный шум вентиляторов.
В остальные месяцы года можно переключать компрессорный блок на воздушный испаритель.
На плюсовые температуры пойдёт теплообменник от внешнего блока любого кондиционера,
подобранного по мощности, нужной для весенне-осеннего отопления и летнего ГВС.
Такое сезонное дублирование теплообменников ТН по причине их невысокой стоимости уже вполне оправдано. Да и цена на сам компрессорно-конденсаторный агрегат ТН может быть более доступной, по причине использования недорогого компрессора.
Ещё один плюс - быстрый монтаж, как и воздушного ТН, никаких грунтовых работ, только подсоединение к воде, к системе отопления и льдоудаления.
А вот с последним моментом, с перемещением льда, пока многое не ясно.
Сами льдогенераторы устройства довольно распространённые, но в нашем случае требуется продумать не столько систему замораживания воды, сколько отделение льда от воды и перемещение его на место хранения.
У каждого свои видения этого.
Кто думает замораживать прудик, кто лёд хочет складировать в кучу, кто сбрасывать в овраг или реку.
Вот тут и возникнут по всей видимости некоторые трудности, притом у каждого свои.
ТН 5 кВт по теплу за 4 зимних месяца наморозит 100 тонн льда.
ТН 15 кВт уже 400 тонн. Это конечно не 8000 кубов воды, прошедших за 4 месяца через испаритель такого же по мощности ТН вода-вода.
Но 8000 тонн воды сами утекут, а 400 тонн льда нет, их надо переместить и распределить.
Хорошо если рядом река, овраг или в крайнем случае безхозное поле или лес.
А если вокруг только чужие садовые участки?
Вот основная проблема, проблема перемещения, а не процесс приготовления льда, который за 150 лет достаточно уже отработан.
Поэтому идея с жидким льдом, если его при этом возможно будет перекачивать по трубам - интересует.
А с видами льда, которые там будут застревать - нет.
Всяческие шнеки, ленты-транспортёры не очень интересны, это уже придумано давно и жидкий лёд для них не нужен.

 

Жидкий лед образуется равномерным слоем у поверхности, на расстоянии 1\4-1\2 ниже поверхности врезаем трубу большого (15-20см) диаметра, уходящую под наклоном через стену к яме для сброса. При срабатывании датчика (термо\фото\и тд) открывается шлюзовая заслонка и верхний слой воды с ледяной шугой смывается по трубе. Затем заслонка закрывается и происходит наполнение емкости до рабочего объема. Затем процесс повторяется.
При намораживании льда бесконтактным способом, ледяная шуга получается очень мелкодисперсной и равномерной по объему.

 

Да это, как мне видится особой проблемы не создаёт.
Можно теплообменник-льдогенератор вообще расположить над ямой и переворачивать его периодически рычагом с электроприводом, лёд будет сам в яму ссыпаться, даже твёрдый, а не жидкий.
В дом, к компрессору будут заходить только две фреоновые трубки в теплоизоляции, как в кондиционере.

Хотелось бы без выкапывания лишних ям на участке удалять лёд куда подальше с территории.
У меня вот есть яма во дворе (прудик), который зимой всё равно простаивает.
Но туда поместится только 70 тонн льда, ну пусть с горкой 80-90.
Это один только месяц зимы, для работы ТН 15 кВт.
Делать яму на 400 кубов не хотелось бы.
Как наверно не захочется делать на 100 кубов и тем, кому 5 кВт ТН хватит.
Может равномерно распределять по огороду?
Для этого тоже надо придумать механизм автоматического распределения, чтобы с лопатой не убиться за зиму.
Но 400 кубов льда - это метровая насыпь на 4 сотках или 0,5 метра высотой на 8 сотках.
Тоже как-то не айс.
100 кубов - это 20 сантиметров льда на 5 сотках, уже более менее, но всё же лучше это дело перекачивать в овраг или в поле. Там вообще не заметно будет, пока все соседи себе таких девайсов не наприобретают

 

Для такого дома "ТН на замораживание" неподходит, слишком велики теплопотери.
Мы рассчитываем что 70 кубов воды хватит на ВСЮ зиму для хорошо утепленного дома.
Так же попробуем использовать дополнительное тепло от солнца, грунта и может быть вентиляции.
Что должно значительно уменьшить объем необходимой воды.

 

ИМХО самые нормальные варианты - сброс в яму\прудик или за забор в овраг, если таковой имеется.
Распределять по территории придется вручную. Либо таскать ведрами (что совсем не айс), либо ворочать здоровый гибкий шланг по разным углам и осуществлять ручной\автоматический слив.

 

Снижение расхода воды в 20 раз по сравнению с ТН вода-вода меня уже вполне устраивает.
Позволяет наконец установить себе ТН для зимы, а не только воздушка для межсезонья.
К воздушкам для нашей зимы я отношусь очень скептически, по причине больших напоров на испарителях, очень низких температур кипения в результате, низкой эффективности по тепловой мощности и СОР и неоправданной дороговизне и-за впрысковых компрессоров.
До этого останавливала невозможность обустройства горизонтального геоконтура и нежелание сливать зимой ежемесячно по 2000-3000 кубов воды, хотя скважина на известняк с 6 кубовым дебитом имеется.
Даже, после долгих раздумий уже созрел было бурить вертикальные зонды для 4 зимних месяцев, а на остальное время года с плюсовыми уличными температурами планировал воздушный испаритель.
Уже этой осенью отработала в тестовом режиме воздушка на 10 кВт, слепленная на скорую руку из подручных материалов и кондеев
Если придумаю куда рассыпать лёд, займусь экспериментами с ним, есть широкий овраг с ручьём в 300 метрах от меня, вот туда бы его... Там столько снега и льда к весне скапливается, что ещё 3-4 сотни кубов практически капля.
Но туда его можно только по трубе...

 

Пока планируем сбрасывать лед в искусственный водоем, хотя за забором практически рядом есть озеро.
Выкопать пруд проблем не представляет, застилаем дно и края специальной пленкой для прудов и практически ВСЁ.
Сверху на воду для зимнего утепления кладем пенопласт (ЭППС), хотя есть и другие варианты.
Стоимость такого ТА в несколько раз меньше чем у любого геоконтура, надежность на порядок выше.

Распределять лед по участку это конечно задача интересная, но наверное трудновыполнимая.
И не вижу особого смысла в этом, так как "аккумулятор холода" летом это весьма нужная вещь, о чем я здесь неоднократно писал.

 

Уже отписывался по этому поводу- жидкий лед подаем на мощный насос, вихревик, например, и на форсунку, форсунка на улицу, Процесс производить, когда дует ветер, желательно в нужном направлении, В этом случае будет получатся снег, который будет утеплять землю на вашем участке,
Только делая из недостатка достоинство можно создавать идеальные системы, Не смотреть как на проблему, а как на ресурс, Блин, да это же на каждом тренинге говорят! А что вы делаете в это время?

 

Мы пока намеренно проектируем систему отопления с минимальными энергозатратами, так как увеличить энергозатраты - нет проблем, а вот уменьшить это проблема.
И потом, с увеличением энергозатрат падает общий кпд системы, что не хотелось бы.

 

Я не против такой системы, но хотелось в цифрах понять хотя бы порядок энергетических затрат на мощный насос и форсунку (для удаления снега) на единицу холодопроизводительности (при его производстве).
А то может низкотемпературный воздухоохладитель эффективнее получится, несмотря на все его недостатки.
Помню, как-то читал про снегогенераторы для лыжных комплексов, так затраты на производство снега меня неприятно удивили. Точных величин уже не помню, остался только осадочек.
Поищу в интернете, чтобы освежить ощущения...

 

Более того, изначально мы хотели просто купить обычный генератор жидкого льда и отапливаться с его помощью.
Ага, разбежались!
КПД у таких устройств около 1, да и стоимость...
И вообще, мы легких путей не ищем, изобретательский зуд покоя не дает.

 

Еще такой вариант пришел на ум...
Покупаем дешевенький каркасный бассейн на пару кубов и в него сбрасываем шугу. На нужной высоте вешаем "ухо" из стальной проволоки\арматуры. Когда замерзнет на морозе, снимаем каркас и оттаскиваем эту "шайбу" в уголок или в овраг.
Для сподручности можно заюзать два таких бассейна, сменяя их поочередно, чтобы шуга успевала застывать.

 

Насколько я помню, средний вихревик 0,65кВт, Чем понравился вихревик, так это возможностью сначала разбить в пыль шугу, а потом ее выкинуть, Форсунку надо смотреть, чтобы падение давления было не более 50%, но при этом капли получались достаточно мелкие, Навскидку подошла бы от пульвелизатора для лаков-красок, Расходы на сам насос можно и не смотреть- ведь большая часть энергии останется внутри теплого контура, где насос и установлен,

Есть другой вариант слабенький насос+плунжерная пара, которая может смазываться водой, т, е пластиковая,
Порядок цифр я излагал в этой же теме несколько ранее, Как мне помнится, я затруднился рассчиталь объем жидкости, проходящей через определенное сечение при определеннном давлении, да еще и с учетом потерь на распылителе, Если вихревой насос дает 4бар, то, думаю, меньше 1-2кубов жидкого льда в час он не выкинет, То есть при 80% замораживании это 70-140кВт отобранной мощности, что при 0,7кВт мощности насоса составит 0,5-1% от отжатой энергии или 2-5%от затраченной на трансформацию в ТН, Фигня, короче,
Но это еще не все!(вспоминаем телемагазин), Давайте подсчитаем эффект от утепления снегом (скорее инеем, консистенция примерно такая и будет), Возьмем плотность 250кг/м3 и теплопроводность 0,6, Тогда завалинка из снега полтора на полтора метра даст теплосопротивление 2,5, и это в самом проблемном месте- в месте соприкосновения с землей, А это уменьшает теплопотери и сокращает нужду в теплопроизводстве, а это самое радикальное удешевление отопления,
Но и это еще не все!() Когда утеплили дом, можно половить ветер и пораспылять над участком, вплоть до того, чтобы действительно таскать по участку шланг и распылять как воду для полива, Увеличенный слой снега даст дополнительную защиту обитателям земли и ей самой, как итог скорейшее оттаивание после зимы и более раннее начало сельскохозяйственного цикла и больший урожай, Пример, Если до нового года дорожки на даче дальше туалета не чистились, то в январе под нетронутым метровым слоем снега земля вообще еще не замерзшая, комки влажной земли легко растираюся руками,
В общем, если все так радужно, как я расписал, то аж жить хочется!
ЗА эту схему я еще и потому, что так делается в природе- если летом вода дарит жизнь, то зимой она ее спасает, выступая самым массовым и эффективным утеплителем в мире,
Да и снег у вас в Москве и окрестностях жидковатый- Андрей А, А, размещал фото своей снеговой завалинки- а снега-то и по-колено не выпало! Тут же- такая возможность,