Подсказки для самостоятельного изготовления теплового насоса

Господа, у меня еще вот какой вопрос. чем определяется температура испарения? насколько я понимаю (поправьте, если не так) эта температура зависит только от настроек ТРВ. однако, если для рассольных насосов это значение достаточно постоянно, то для ТН воздух... это значение должно меняться в зависимости от температуры окружающего воздуха. Таким образом, работа ТН возможно либо при существенном занижении температуры испарения, либо при применении ЭТРВ. поправьте, если я не прав.

 

Такой компрессор установил в начале зимы (QXR-21), пока нормально, раньше стоял hitachi на 18000 btu который работал намного тише. Сразу замечу дело не в подушках, вибрация от QXR сильней.

 

Уважаемый Dekabrino, обещали написать обобщенные рекомендации по подбору ПТО Жду

 

Обещал, обещал!

Все никак с духом не соберусь...
Даже один раз опрометчиво набил во встроенном в форум редакторе сообщений приличный кусок текста, но хваленый браузер Chrome закрылся (без объяснения причин) и всё исчезло.

В двух словах не опишешь, почему эффективность одних типов теплообменников в десятки раз превышает такие же параметры других при одинаковых условиях.
А также почему эффективность уже одного и того же теплообменника в десятки раз может отличаться при различных условиях.
Поэтому придется разбить на несколько частей и для лучшего понимания начать издалека.

Многие, просматривая технические характеристики теплообменников, сразу обращают свое внимание
на максимальные показатели, которые указывают в рекламных проспектах даже не производители, а менеджеры по продажам фирм-посредников.
Максимальных показателей зачастую можно добиться только при предельных условиях работы.
Поэтому серьезные поставщики при подборе оборудования требуют от заказчика заполнения листа ТУ с указанием условий при которых собирается эксплуатироваться аппарат.
Под эти параметры ему подбирается теплообменник, с необходимыми запасами (на загрязнения например) и если в дальнейшем возникнет претензия на несоответствие с паспортными данными по эффективности, то заказчика ткнут носом в несоблюдение им ТУ.

Нас не в последнюю очередь интересует цена, которой достигаются конечные результаты и часто мы готовы пойти (по разным причинам) на некоторое ухудшение показателей для получения более гуманного ценника.
Отношение цена/качество, на первый взгляд, для каждого свое.
Кому-то хочется максимального качества, неважно какой ценой.
Другому хочется максимальной дешевизны, лишь бы работало.
И тот и другой варианты не совсем правильные, тем не менее пусть каждый выбирает, что ему по душе.
Для выбора своего варианта необходимо обладать набором элементарных знаний, чтобы не попадаться на удочки менеджеров или не пасть жертвой своей жадности.

Итак, что представляет собой теплообменник?
Рассматривать будем только те типы, применение которых возможно в ТН.

 

Dekabrino, и если можно, расскажите немного о ПТО в качестве регенеративного теплообменника.

 

Так что такое теплообменник для ТН?
Грубо говоря, это просто перегородка, разделяющая две среды, обменивающиеся друг с другом теплотой, и не допускающая их смешивание.
В нашем случая смешивать их точно не рекомендуется.
Кроме герметичности и необходимой прочности, материал перегородки должен обладать достаточной теплопроводностью.
Сразу стоит отметить, что практически любой твердый материал подходящий по прочностным характеристикам обладает необходимыми теплофизическими.
Мало того, теплопроводности материалов, из которых изготавливают перегородки (стенки) теплообменников обладают теплопроводностью многократно превышающую теплопроводности жидкостей и газов, участвующих в теплообмене.
Температурный перепад на стенке получается крайне незначительный относительно перепадов в газах/жидкостях, поэтому в большинстве случаев материал стенки почти не имеет значения, из чего бы её не сделали, из меди, алюминия, серебра, золота, платины, нержавеющей стали или обычной.

Для справки
Самой большой теплопроводностью из газов обладает водород и гелий, около 0,17 Вт/мК
У воздуха, в несколько раз хуже, около 0,02
Самой хорошей теплопроводностью среди жидкостей обладает ртуть, около 8,5 Вт/мК, да и то, только потому, что по совместительству является металлом.
Привычные нам жидкости, типа воды, спиртов, и их смесей имеют теплопроводность от 0,6 у воды, до 0,1-0,3 у неразбавленных.
Теплопроводность серебра 430 Вт/мК, меди 390, алюминия 200, латуни 100, стали 50, нерж стали 20.
Очень большой теплопроводность обладают некоторые состояния углерода, так у алмаза 1000-2000, у графенов достигает 5000.
А жидкости и газы, наоборот имеют очень скромные показатели.
Даже относительно небольшая величина у стали превышает как минимум в 100 раз теплопроводность водных растворов, а газов и паров фреонов в 1000.
Учитывая толщину стенок теплообменников, не превышающую 1 мм, а чаще и того менее 0,3-0,4 мм даже процессы кипения и конденсации с довольно большой плотностью получающегося теплового потока не требуют применения особых материалов.
Поэтому в дальнейшем, при расчетах, температурный перепад на стенке будем учитывать только при применении материалов типа ПНД, ППР и других пластиков с теплопроводностью 0,15-0,45 уже вполне соизмеримой с теплопроводностью жидкостей и газов.

 

С теплопроводностью стенки теплообменника разобрались.
Если она тонкая и сделана из любого металла, то температурный перепад на ней до того незначительный, что в нашем (теплонасосном) случае им можно просто пренебречь, ибо теплопроводность стенки существенно (в сотни и тысячи раз) выше теплопроводностей тех сред, которые собственно и обмениваются теплом.

Можно привести пример.
В теплообменнике, скажем с коэффициентом теплопередачи 1000 Вт/м2 на градус и среднем температурном напоре 20 градусов, тепловой поток составит 20 000 Вт/м2.
На стенке из нержавеющей стали толщиной 0,5 мм температурный перепад будет
20000 / (20/0,0005) = 0,5 градуса.
На медной стенке толщиной 1 мм перепад будет в 10 раз меньше, около 0,05 градуса.
И то и другое по сравнению с 20 градусами среднего теплового напора теплообменника просто мизер.
При использовании теплообменников в тепловых насосах тепловой напор стараются делать еще меньше,
следовательно перепад на стенке тоже будет ниже.

Идем далее.
Какие еще параметры влияют на теплопередачу, кроме уже рассмотренного коэффициента теплопроводности и разности температур?
Сразу отметим, что из трёх основных способов теплообмена - теплопроводности, излучения и конвекции,
излучение мы учитывать не будем.
Хотя в нашем случае тепловое излучение тоже участвует в теплообмене, перепады температур в теплообменниках тепловых насосах незначительные, поэтому доля его мала и забивать голову пока не стоит.
Остается еще конвекция. В переводе с латинского означает "доставка".
Для того, чтобы происходила конвекция (доставка) тепла необходимо перемещение среды.
Вот это основной путь теплопереноса в наших низкотемпературных теплообменниках с движущейся средой.
Притом от стенки теплообменника к среде (жидкости или газу) при непосредственном контакте теплота передается посредством теплопроводности, вглубь вещества тоже передается теплопроводностью, а в другое место дальше по течению переносится конвекцией.
Если течение происходит параллельными струями без перемешивания, а так и происходит перемещение жидкостей и газов до определенной скорости потока, то теплота от нагретой стенки вглубь движущейся среды передается только теплопроводностью.
Так как теплопроводность наших жидкостей и газов небольшие, процесс идет медленно и нужна значительная протяженность пробега потока вдоль стенки, чтобы жидкость или газ прогрелись по всему объему.
Что нужно сделать, чтобы этот процесс ускорить?
Для твердых веществ - увеличивать тепловой поток, увеличивая разницу температур (тепловой напор)
или уменьшать толщину (сечение) перпендикулярно тепловому потоку.
Для жидких и газообразных дополнительно, кроме увеличения температурного напора и уменьшения сечения потока, есть и другой способ - перемешивать движущиеся слои.
Для этого требуется увеличить скорость потока, чтобы жидкость или газ начали перемешиваться.
Процесс течения без перемешивания называется ламинарным, с перемешиванием турбулентным.
При турбулентном течении из-за перемешивания резко увеличивается тепломассообмен между слоями и для прогрева всего объема движущейся жидкости или газа требуется значительно меньшая длина пробега вдоль греющей стенки, даже несмотря на увеличение скорости.
Вот основные методы интенсификации теплообмена - уменьшение сечение потока и увеличение скорости для достижения турбулентного течения и лучшего перемешивания.

 

Итак, рассмотрели как идет передача теплоты от газа или жидкости к стенке теплообменника и от стенки к газу или жидкости с другой стороны.
Если жидкость не перемешивается, то передача тепла от условного слоя к следующему слою течения идет
только теплопроводностью. Мощность этого потока тепла через единицу площади равна теплопроводности среды умноженной на температурный перепад.
Пример.
Вода, теплопроводность 0,56 Вт/мК
Через один квадратный метр водяной прослойки толщиной 1 см при перепаде 1 градус мощность теплового потока составит всего 56 ватт.
Как Вам в сравнении с теплообменником "труба в трубе" с коэффициентом передачи 1000 Вт/м2К или
с пластинчатым с коэффициентом до 5000 Вт/м2К ?
Вот почему змеевик в бочке с неподвижной водой не позволяет передавать большую мощность.
Естественная конвекция воды увеличит теплоотдачу с 56 до 150-200 Вт/м2 и то при условии того же одного сантиметра толщины воды. Но по мере прогрева этого сантиметра температурный перепад уменьшается и мощность падает. Значит без отвода нагретой воды от греющей стенки постоянной мощности все равно не получить.
Естественная конвекция в большом объеме воды позволяет снять максимум 300 Вт/м2К
Теплоемкость воды довольно велика 4200 Дж/кгК, а у пара меньше, скажем 1000 Дж/кгК.
Плотность пара в несколько десятков раз меньше плотности жидкости, значит объемная теплоемкость паров в сотни раз меньше объемной теплоемкости жидкости.
Да и теплопроводность газообразной фазы вещества в десятки раз хуже чем у жидкой,
о чем говорили постом выше.
Следовательно при одинаковой подводимой к стенке тепловой мощности, пары и газы надо перемещать и перемешивать в сотни раз интенсивнее, чтобы сохранить такой же тепловой напор.
Продолжу позже...

 

Уважаемый, о каком паре идет речь? Если о водяном, то таблица говорит, что не может быть такой маленькой теплоемкости у него, даже при очень низких давлениях. А при высоких температурах удельная теплоемкость у него существенно выше чем у воды. Именно этим и пользуются при обогреве зданий паровым отоплением.

 

Ага, только при этом надо нагреть пар градусов до 260 и сжать атмосфер эдак до 50 и при этом получим пар с теплоёмкостью как у воды при атмосферном давлении, но обьёмом раз в 40 побольше.

 

Удельная теплоемкость - энергия необходимая для нагревания единицы массы вещества на единицу температуры. Вроде о ней речь идет? Или нет?

 

Продолжаем.
Что нужно сделать со змеевиком в бочке, чтобы его эффективность как теплообменника приблизилась к пластинчатому?
Нужно организовать перемещение жидкости или газа, какая среда там у нас в теплообменнике, таким образом, чтобы к стенке подавались как можно более холодные слои, для максимально возможной теплоотдачи, а уже нагретые сразу отводились на выход. Естественно, такой селективности в трубе змеевика добиться невозможно.
Правда можно уменьшить диаметр трубы, чтобы снизить нагреваемый объем, так как разделять поток на части, холодную вдоль стенки и уже нагретую в сторонке, достаточно сложно, параллельно увеличив скорость потока до образования стабильной турбулентности (перемешивания).
При этом надо ограничить длину трубки, и чем меньше теплоёмкость среды, тем труба должна быть короче. Потому, что больше определенной длины делать её бессмысленно, так как после пробега определенного расстояния по трубке эта среда нагреется почти до температуры стенки и дальнейший прирост температуры будет практически невозможен.
Если получаемой тепловой мощности теплообменника недостаточно, следует параллельно подключать дополнительные трубки.
Что это напоминает?
Кожухотрубный или кожухозмеевиковый теплообменники.
В этом случае в кожухе находятся несколько параллельных трубок, а в коаксиальном теплообменнике только одна центральная трубка.
Сильно заужать диаметр трубок нельзя, так как падает теплообменная поверхность и растут гидропотери.
И увеличивать скорость потока до бесконечности нельзя, так как растет расход и те же гидравлические потери.
Да и явно прямой зависимости между скоростью течения и турбулентностью, которая тоже в свою очередь прилично увеличивает гидропотери нет.
Считается, что турбулентность начинается скачкообразно с определенной скорости потока, а величина этой скорости в свою очередь зависит от плотности, вязкости, температуры, давления, размера сечения, формы, да много еще чего.
Мы не самолет строим, для нас важно не само наличие или отсутствие турбулентности, а хорошее перемешивание среды, да еще чтобы определенным образом, про который шла речь выше. А вот этого как раз формулы Рейнольдс энд Компани обещать не могут.
Каким образом попытались решить проблему конструкторы пластинчатого теплообменника?
Устройство его примерно себе представляете.
Пакет из нескольких параллельных пластин, между которыми текут жидкости или газы.
Каждый из параллельных потоков охлаждающейся среды с двух сторон омывается нагреваемой через теплообменную стенку. Теплопередача от жидкости или газа идет сразу в обе стороны, к двум стенкам.
Сечение каждого из параллельных потоков уменьшили до максимально возможного, до 2-3 мм.
Меньше нельзя из соображений проходимости каналов при возможных загрязнениях без фильтрации.
Пластины не плоские, а имеют выступы и углубления шевронной формы под углом к направлению потока.
Высота, глубина и форма этих шевронов подобраны таким образом относительно сечения каналов, что поток жидкости не просто турбулизируется, а пытается перевернуться при их пересечении.
При этом удалось достичь хорошего перемешивания слоев еще при скоростях ламинарного течения, не говоря о турбулентных.
Хорошее перемешивание при не очень больших скоростях потока, узкие каналы, но зато короткие, позволяют получать коэффициент теплопередачи 5000 Вт/м2К и более при небольшом гидравлическом сопротивлении.
Есть достаточно серьезные минусы. За все приходится платить.
Работа на нештатных режимах, например на перепаде давления ниже расчетного, резко уменьшает эффективность.
Из-за узких сечений, ПТО чуствительны к мусору, 2-3 мм песчинки, окалина в виде дамбы и грязь сверху легко могут создать запруду и закупорить канал.
Высокий коэффициент теплопередачи и малый объем каналов, кроме пользы может принести и вред.
При работе в качестве испарителя на околонулевых температурах велика вероятность замерзания воды в каналах при случайной остановке циркуляции, особенно при наличии засора в каких либо частях по стороне воды.
Это ограничивает эксплуатацию ПТО в качестве испарителей для некоторых типов ТН.
Цифры по ПТО в следующий раз...

 

Конечно о ней.
Соответственно чем выше теплоёмкость тем больше одна еденица массы вещества может "запасти" и впоследствии отдать едениц энергии.

давайте не будем засорять эту тему.

 

Давайте отвлечёмся и устраним некоторые пробелы.
Удельная теплоемкость воды не может быть ниже теплоемкости своих паров.
Скрытая теплота парообразования - это совсем другое, на столько увеличивается энтальпия.
2258 кДж/кг - стока теплоты нужно для того, чтобы перевести воду в пар (по этой таблице, 9 столбец).
И столько можно получить обратно при конденсации.
С одного литра целых 0,63 kWh.
Дальнейшее охлаждение литра воды со 100 градусов до 45 дадут ровно столько же тепла.
Вот этим свойством и пользуются, конденсируя пар в трубах и регистрах парового отопления.

Мы же пока до конденсации/испарения в теплообменниках не дошли, а рассматривали только однофазные состояния.
Кроме того пары разные бывают, насыщенные и не очень, водяные и другие.

Смотрим вместе таблицу, 11 столбец.
Теплоемкость насыщенного водяного пара при давлении 1 бар 2027 Дж/кг на градус.
Воды, если помните примерно 4200 Дж/кгК.
Далее, по той же таблице в 4 столбце, плотность насыщенного пара при давлении
1 бар составляет 0,59 кг/м3
У воды, если помните 1000 кг/м3
Значит, для нагрева на один градус 1 м3 воды надо затратить 4 200 000 Дж (1,16 kWh)
а для нагрева 1 м3 насыщенного водяного пара при тех же условиях потребуется
0,59 кг х 2027 Дж = 1196 Дж (0,00033 kWh)
Разница в 3,5 тысячи раз.
Даже если учесть скрытую теплоту парообразования 0,59 кг водяного пара, то её всего 1332 кДж (0,37 kWh), треть от 1,16 kWh, но уже вполне соизмеримо.

Тем не менее, примерно столько же надо, чтобы испарить уже целых 7 кг фреона R22.

Не забываем, что конечная теплопроводность зависит от размеров, а теплоёмкость от массы.
Сами ведь сказали:

Подправил теплоту испарения/конденсации воды, написал перед этим по памяти теплоту кристаллизации.

 

Просто привык доверять табличным значениям... Смутило, что вы пишете про теплоемкость пара 1000 Дж/кг*К. Вот и решил уточнить. Помнится как кто-то из преподавателей физики в давние времена говоря о теплоемкости пара твердил, что из-за нее (теплоемкости) ожоги водяным паром гораздо сильнее чем водой.

Кстати, присоединяюсь к просьбе аппарата о регенеративном теплообменнике.