Подсказки для самостоятельного изготовления теплового насоса

РЕКЛАМА НА ФОРУМХАУС

Подсказки для самостоятельного изготовления теплового насоса.

Совершенно справедливо!
Но человек который задумал самостоятельно изготовить или хотя-бы
собрать из готовых блоков, уже должен с такими вопросами как-то определиться.
А дальше наша задача или отговорить его от безумной затеи или укрепить в своей решимости

 

Вот типичная ситуация. Газ - либо его нет и не будет, либо стоит безумных денег (в Подмосковье порядка миллиона). Какие есть варианты:
1. Соляра
2. Электричество
3. Дрова (уголь, пеллеты)
4. ТН
5. Экзотические варианты (биотопливо, коллектор и пр...)

5 вариант не рассматриваем. 1 и 2 вариант - дорого. 3 вариант - хлопотно (нужно регулярно топить или городить теплоакумулятор).
В плане безопасности (особенно если дом деревянный) варианты 1 и 3 нежелательны. Вариант 2 возможен далеко не всегда. Мало кому дают больше 5кВт электрической мощности.
А если дом используется как дача, то варианты 1 и 3 практически исключаются.
В результате остается только ТН. Небольшой дизельгенератор решит проблему пропадания электроэнергии на короткий срок.


Господа, давайте не отвлекаться от основной темы. Очень нужен ликбез.

 

Мощность (холодопроизводительность) компрессоров, чтобы было удобно
сравнивать и подбирать, производители указывают при каких-то
определенных температурах кипения.
Разделение условное.
Для низкотемпературных, среднетемпературных и высокотемпературных
в Европе принято указывать характеристики при -35, -10, и +5 по Цельсию.
За океаном всё не как у людей, договорились измерять при -25, +20 и +45 но по Фаренгейту,
что в переводе в привычные нам градусы по Цельсию будет соответствовать
-31,67 -6,67 и +7,22.
Не знаю кто был первый, неохота рыться, но если американцы, то европейцы могли поближе бы подобрать к ним ряд, скажем -32, -7 и +7 по Цельсию.
Ну а если первыми были европейцы, то чего американцы выпендривались.
Можно использовать -30, +15 и +40 по Фаренгейту.
Если компрессор может работать и в среднем и высоком диапазоне,
что вполне нормально, то в прайсе для красоты продавец конечно
укажет мощность при более высокой температуре, потому что производительность отличается в два раза не в пользу средних температур.
Многие низкотемпературные компрессоры могут работать во всех трёх диапазонах, при стандартных температурах кипения во всяком случае,
но производительность при -31,7 будет примерно в 5 раз меньше чем при
+7,2.
Применять их около нулевой температуры кипения совсем неразумно из за
намного большей стоимости при тех же характеристиках, что и у высокотемпературных (для кондиционеров).

 

Чтобы два раза не писать, пороюсь на форуме и из своих старых сообщений
соберу что либо. Остальное в процессе.
Все физические закономерности придуманы не мной, люди давно пытаются описать математическим языком явления происходящие в природе.
Вроде простое явление передача тепла от одного тела к другому.
И 1-2 законы термодинамики звучат совсем просто, как и не законы вовсе.
Но о теплообмене написано тысячи книг, монографий, диссертаций.
Оформлено множество патентов, изобретений. Все это потому, что хотя и простые и привычные нам процессы происходят при теплообмене, но зато одновременно много разных, и с постоянно изменяющимися параметрами.
Описать это одной формулой с математической точки зрения хоть и возможно,
но она будет очень сложна для понимания и практических расчетов.
Тем более, нет пока полной картины, микрофизическая теория теплопроводности, излагаемая в курсе теоретической физики не может пока считаться завершенной.
Для практического применения каждый происходящий процесс приходится учитывать отдельно. Для нас особой точности не требуется, главное
не ошибаться в порядках, для разных веществ, применяемых в холодильной технике, различия могут достигать десятков тысяч раз.
Я тоже мог что то не так понять и усвоить, поэтому если где ошибаюсь,
поправляйте. Все это пишу, чтобы и самому параллельно разобраться в некоторых нужных мне на данном этапе вещах.
Как говорится, автор за сказанное не несёт никакой ответственности, применяйте всё на свой страх и риск.
А если серьёзно, сразу на веру принимать все услышанное и прочитанное
нельзя. Это только направления для дальнейшего самообразования.
Надо найти подтверждение в других компетентных и заслуживающих доверия
источниках. Желательно не просто в интернете, а в серьезной научной литературе. Поиск которой интернет как раз и упрощает.

 

Вот тут первые непонятки начинаются.
Допустим, мы выбрали компрессор, который имеет тепловую мощность 10кВт при температуре 7град.С. Как я понимаю, это температура фреона. Однако, температура рассола пусть будет -5градС. Соответственно, температура фреона должна быть ниже этого значения. Как регулировать эту температуру?
Но это не самый главный вопрос. Допустим, компрессор имеет тепловую мощность10кВт при температуре 7град.С, Соответственно при -5градС он будет иметь мощность, допустим, 5кВт. А как, в этом случае, изменится потребляемая мощность. Если останется прежней (допустим, 3кВт), то такой компрессор нам абсолютно не интересен. В итоге - для рассольной системы нужен более дорогой компрессор.

 

Для любой системы нужено компрессор считать по минимальной т-ре кипения. Если рассольная система, даже выше т-ра чем воздушник ,например. Ведь вы не будете эксплуатировать его до -5гр на улице.

 

Дорогой компрессор не поможет, так как мало чем отличается от недорогого.

Для привода компрессора чаще всего применяется асинхронный электродвигатель переменного тока.
Частота его вращения зависит от частоты питающей сети.
Потребляемая мощность зависит от нагрузки на валу, в нашем случае от перекачиваемой массы газа компрессором и отношения давлений
выход/вход (прирост внутренней энергии сжимаемого тела).
Учитывая КПД естественно.
Нет нагрузки – почти нет потребления.
Кроме потерь холостого хода на тепловой нагрев обмоток электродвигателя, которые на частичных нагрузках зависят от cos φ.
Сечение провода обмоток должно соответствовать максимально возможному току и соответственно максимально развиваемой мощности. Иначе сгорит.
Недорогие грешат этим. У Copeland тоже есть облегченные версии, с более
тонкими обмотками, менее стойкие к перегрузкам, но с теми же ТТХ.
Например ZR61KSE-TFM, легче своего собрата на целых 6 кг.
Поэтому если при сравнении компрессоров перекачиваемый объем одинаков, давления на входе/выходе равны, то и потребление будет равно. Можно технически снижать потери на нагнетении, но тогда перекачиваемый объем будет больше.


При снижении температуры кипения снижается холодопроизводительность, потребляемая мощность тоже снижается, но если отношение давлений вход/выход остается прежним.
То есть пропорционально снижается температура конденсации.
Если температура конденсации остается прежней, то при снижении температуры кипения потребляемая мощность остается примерно такой-же, так как растёт отношение давлений при снижении массового расхода.

 

Не надо заглядываться на всякие дорогие последние модели.
Да, компрессоры бывают разные, большие и маленькие, голубенькие и черненькие, дорогущие и не очень, от известных брендов и так себе. Все это влияет на их цену.
Для коммерческого холода ценообразование происходит не совсем так, как для бытовой
техники. Если вы купили дешевый и плохой телевизор и он благополучно издох, крупного материального ущерба (больше его стоимости) не получите, кроме разве что морального.
И хотя свой моральный ущерб мы оцениваем высоко, суды считают иначе.
Если помрет холодильное оборудование по вине его производителя, скажем в крупном хранилище продукции, то убытки, недополученную прибыль, вынужденный простой и стоимость ремонта со всеми издержками можно взыскать с виновного.
С кого легче будет взыскать? Естественно с известного бренда. Он же в свою очередь постарается избежать подобных неприятностей, делая оборудование надежнее и четко прописывая условия эксплуатации.
Кондиционер при выходе из строя принесет намного меньший ущерб, чем холодильная камера. Скорее всего только моральный.
В себестоимость низкотемпературного коммерческого оборудования производителю приходится закладывать повышенную вероятность исковых выплат.
Понятно что у нас что либо отсудить у производителя почти невозможно из-за цепочки посредников, а покупаем то мы по тем ценам, да плюс акциз, таможня, доставка.

Из-за более жестких режимов работы прочность и надежность само собой требуют дополнительных расходов. Но не в несколько же раз?
Крупные производители разнообразного барахла могут перераспределять убытки
на другие сегменты своей деятельности. Но если производите что либо одно,
то надо или хорошо или никак.

Покупатели коммерческой техники в отличии от обычного бытового потребителя при выборе отдадут предпочтение более надежной, хотя и более дорогостоящей.
При коммерческом использовании все дополнительные издержки все равно относят на себестоимость, то есть за счет потребителя конечной продукции.
А при возможном сроке службы этого оборудования выше запланированного можно даже получить дополнительную прибыль.

Если не желаете спонсировать эту статью расходов производителей,
то по возможности надо выбирать недорогие, проверенные временем модели.
Все новомодные штучки не для бюджетного самодельного ТН.
Если денег не жалко, то поэкспериментировать можно. Но это уже ради интереса.

 

Год назад я уже писал

tepnasos считает что все же надо считать точно, как для электростанции

Но tepnasos куда то пропал...
Поэтому чтобы облегчить задачу предлагаю все же при рассчётах
учитывать погрешности наших измерений температуры, давления, расхода
жидкостей, электроэнергии...
Точность полученных результатов +/- 30% даже может быть завышенной.

 

Давайте проясним эту границу рентабельности?!
Верхней границей увеличения испарителя (при нижней подаче) может служить рубеж не возврата масла. То есть надо считать сечение и скорость потока в нём. Или поэксперементировать с верхней подачей?

Прирост эффективности от увеличения? Как водится, цена пластинчатых теплообменников в линейной зависимости от размера. Но прирост эффективности от снижения t. кипения таковым быть не должен. Как бы тут выбрать оптимальный вариант?

 

Хотя я и призываю слегка завышать теплообменные поверхности,
где-то подсознательно думаю что жаба никому не позволит очень уж перевложиться. А остальное съест грязь и ошибки в расчетах.

Для пластинчатых, с их очень высокой эффективностью вопрос по занижению
площади теплообмена остро не стоит. На один м2 площади теплообмена
они выдают до 5 kW мощности при дельте t в один градус.
То есть, при дельте 5 градусов 1 м2 выдаст 25 kW. Но такую дельту
получить сложно из-за ограниченной скорости теплоносителя и небольшой длины каналов в коротких ПТО.
Для большей дельты надо выбирать более длинные ПТО
Это для вода/вода.
При дальнейшем увеличении скорости сред гидравлические потери даже для пластинчатого будут расти, кроме того прирост теплоотдачи
незначителен. Кроме того, хотя теплоотдача велика, большей мощности
не получить, не будет расти дельта.

Для теплообменника труба в трубе таких показателей достичь сложнее.
При скорости омывания 5 м/сек теплоотдача может быть почти такой же, как в ПТО
5 kW на м2 на град. Но гидропотери не позволят нормально эксплуатировать такой теплообменник, поэтому он должен быть коротеньким.
Мощность одного будет маленькая, надо будет параллельно сотню-другую.
Спаяли в пакет - вот и получился почти пластинчатый, но дороже.
И эффективность все же меньше-нет извилистых каналов как в пластинчатом.
Поэтому для трубы в трубе оптимальный параметр цена/эффективность
достигается при 0,8 kw м2 град при скорости воды 1м/сек.
При 1,5м/сек и 5 град дельты получаем 5 kW на метр площади при ещё терпимых гидропотерях.
Дальнейшая интенсификация повышением скорости считается неоправданной

 

В теплонасосном оборудовании для отопления дома используется довольно
узкий диапазон температур при теплообмене.
Кипение в испарителе от -20 до +10 и конденсация от + 35 до + 65.
И там и там диапазон по 30 град. Давления от 2 до 20.
Одна среда - вода или разбавленный гликоль, другая - фреон.
Хотя кипение и конденсация происходят по разному и теплоотдача от пара
намного отличается от жидкости, общие усредненные коэффициенты теплоотдачи по всей длине теплообменника в нашем диапазоне примерно похожи. Ну может туда-сюда 20-30%.
В испарителе сначала жидкость, затем выкипающая парожидкостная смесь и в конце перегрев пара.
В конденсаторе все наоборот, снятие перегрева пара, затем насыщение парожидкостной смеси, в конце переохлаждение жидкости.
Если использовать отдельные переохладители, предконденсаторы, регенераторы, экономайзеры тогда считать надо по каждой фазе отдельно.
Выбор фреонов для ТН невелик, гликоль надо использовать по возможности
максимально разбавленный водой. И дешевле и теплоотдача лучше.
Жидкостные теплообменники в нашем случае могут быть пластинчатые, труба в трубе и разнообразные змеевики в кожухе.
Теплоотдача от воды и от фреона отличаются, но с оребрением заморачиваться не будем.
Применение гликоля ещё сильнее снижают разницу в теплоотдачах.
Теплоотдача от парожидкостной смеси фреона и от воздуха отличаются раз в 30-50 (зависит от % соотношения пар/жидкость)
Поэтому для воздушных обязательно применяется оребренная труба различных профилей с коэффициентом оребрения со стороны воздуха никак не менее 40.
Вот при таких условиях нам достаточно знать коэффициенты теплообмена.
Иначе изучение может затянуться….

 

Во первых,огромнейшее Спасибо уважаемому Dekabrino,за труд достойный
внимания!
Во вторых,прсьба по подробнее рассмотреть конструкции САМОДЕЛЬНЫХ
теплообменников,т.к.готовые пластинчатые дороги,и не очень доступны
на периферии.А надергать трубок от пром.холод.оборудования гденибудь на чермете вполне реально,так же рассмотреть возможность применения
деталей от кондиционеров импортных автомобилей качество и доступность
коих известно.
И третья прсьба предложение-после теоретического курса,провести
маленькую лаболаторную работу доступную для повторения всеми желающими
:из компрессора бытового холодильника изготовить экспериментальный,
демонстрационный ТН.Расписать процедуры сборки-пайки-заправки
с подробными фото и видео.

Я не слишком много прошу

 

Вот дальше плавно и перейдём к сравнению эффективности ПТО и
самодельных теплообменников и от чего она зависит
Далее каждый решит что ему выгоднее, проще или удобней
Для упрощения и ограничил диапазон и применяемые вещества.
Какой смысл рассматривать например сахарный сироп в качестве теплоносителя, или аммиак в качестве хладагента, если применять их в ТН не будем?

Не сразу дошел смысл вопросов.
Если про рентабельность, то конечно не стоит специально завышать в 1,5-2 раза теплообменную поверхность от необходимой.
Расчеты и измерения тогда должны по точности соответствовать желаемым результатам.
Действительно, ведь увеличив в 2 раза от необходимой площадь можно получить всего каких либо пару градусов сокращения дельты.
При цене на ПТО о такой рентабельности можно только промолчать.
Это справедливо для человека, который ясно понимает что и как делает.
Я имел в виду несколько другое...
Когда невтерпёж быстрее изготовить свой первый...
Когда расход электроэнергии зачастую измеряют токовыми клещами ( не учитывая напряжение в тот момент, не говоря уж о cos фи), температуру бытовым градусником, расход воды подставленным ведром и т. п.
Наверно тогда трудно получить точные исходные данные.
Учитывая, что с критериями теплообмена и так не все просто, точность расчетов вообще может не иметь никакого смысла.
Вот поэтому я и говорил, что взяв верхнее значение из такого расчета можно с большей вероятность заставить работать самодельный агрегат с приемлемыми результатами.
Если в результате получится поверхность больше необходимой, имеем лучшую дельту на пару градусов.
Если получится меньше необходимой, то потеряем 5 градусов, а у нас ведь часто по воде больше и не бывает.
Испаритель будет прихватывать, конденсатор вырубать по давлению.
Чем на больше ошиблись, тем чаще.
Может конечно и угадаем точно сколько надо, но что-то я сомневаюсь...

to aparat2
А у Вас испаритель снизу запитан?
А чем руководствовались тогда?
Некоторые воду стараются при охлаждении сверху подать.
Но для ПТО это не принципиально, скорость до 5м/сек там и по воде тоже.
А для масла лучше иногда сверху... В инверторах например.

 

Да, жидкий фреон поступает снизу. Вода противотоком сверху. Хотелось максимально затопить испаритель жидким фреоном, для лучшей теплопередачи. Но запитав бы сверху побоялся залить компрессор. Для возврата масла скорости тока не считал. Взял на свой риск на 20% более рекомендуемого номинала. И всё ок. Но всё же хочется понимать, как на практике оптимальней? Как сейчас, то зная бы тогда, не пожалел бы лишних 100 евро на больший испаритель, чтобы иметь т. кипения ещё хоть на один-два градуса выше.