Подсказки для самостоятельного изготовления теплового насоса

РЕКЛАМА НА ФОРУМХАУС

Все находится в рамках табличных значений, просто 1000 Дж/кгК удельная теплоемкость не насыщенного водяного пара, а скажем 50 процентного

 

Я не против, если модератор удалит мои посты для чистоты темы. Со времен института всегда старался вопросы задавать по ходу лекции, эксплуатируя ассоциативность нашей памяти и мышления. Так что не думайте плохо - к словам не цепляюсь.

 

А продолжение ликбеза планируется?

 

Да, конечно.
Был в отъезде, писать было несколько несподручно...

 

Навеяло из параллельной темы https://www.forumhouse.ru/threads/134251/page-17#post-4135549

Что делать?
КОП зависит в парокомпрессионных машинах от температур кипения/конденсации, которые в свою очередь зависят от температурных напоров.
Уж такие величины тепловых напоров сложились в процессе конструирования, изготовления и дальнейшей ценовой конкуренции холодильных машин между собой.
При покупке бытового кондиционера только единицы людей уделяют повышенное внимание его КОПу.
В основном смотрят на мощность охлаждения, сравнивая при этом цены.
Дополнительным стимулом является дизайн, всякие феньки по дополнительной обработке воздуха, ну и качество, которое зачастую напрямую связывают со страной изготовления.
Экология - это отдельная песня, которой все уши прожужали маркетологи и народ теперь связывает её с применяемым хладагентом R410a, а другого выбора потребителям стационарной техники почти и не дано.
Даже считается, что он самый экономичный в плане энергопотребления, хотя это не так.
Эффективный в смысле металлоемкости, это да. При некотором увеличении толщины стенок агрегатов, из-за большего рабочего давления, в то же время можно снизить площадь теплообмена в связи с лучшим коэффициентом теплоотдачи этого газа, оставляя при этом тепловой напор на том же уровне в 15-20 градусов.
Но ведь сделав бОльшую площадь теплообмена, можно снизить тепловой напор, соответственно изменятся температуры кипения и конденсации (уменьшится разница между ними) и вырастет КОП.
Производители ведь так не делают?
Почему?
Можно было и на старых газах увеличить площадь и поднять КОП, и по энергоэффективности они лучше.
А нафига?
Увеличение площади напрямую ведет к удорожанию продукции и снижению конкурентноспособности, а потребители уже привыкли к сложившимся тепловым напорам в сфере воздушных теплообменников, да и на КОП в кондиционере смотрят сквозь пальцы, лишь бы холодил хорошо в жару (когда за банку холодного пива или какого другого напитка готовы все отдать )
Да и задел на будущее совершенствование техники оставлен неплохой, можно будет в дальнейшем по новой впарить народу кондеи уже с тепловым напором 5-10 градусов, после соответствующей информационной обработки, правда теплообменники надо ставить в два-три раза больше.
Но это не проблема, достаточно оребрение сделать плотнее в два-три раза и вуа-ля.
Кондеи в режиме охлаждения работают при положительных температурах, поэтому инееобразование на слишком частых ламелях им не грозит, а пыль и грязь...
Что-ж, потребитель сам виноват, если такой хрюшка, пусть покупает фильтры.
Ладно, отвлеклись...
Давайте поговорим, что мешает недорогому бюджетному кондею работать в качестве ТН, почему в инструкциях к ним пишут, то есть раньше писали
-при работе на обогрев только до +5
или пишут теперь, хотя ничего не поменяли в конструкции, а просто маркетинговый ход для нас, диапазон работы компрессора позволяет:
-при работе на обогрев до -5
я уж не говорю про:
-при работе на обогрев до -25
такое допущение надо уже чем-то подкреплять
Ограничения для компрессоров по температуре кипения есть, при кипении -40 в последнем случае долго и на полную мощность при высоких температурах конденсации не каждый компрессор потянет, для этого есть специализированные недешевые низкотемпературники или технологии, позволяющие снизить температуру нагнетания (впрыск и т. п).
Но практически любой высокотемпературный компрессор для сферы кондиционирования может работать
при кипении -20, только ограничивать придется температуру конденсации где-то 40 градусами.
Чем выше будет температура конденсации, тем выше поднимается допустимый порог температуры кипения.
Как раз окружающая температура будет -5, которой и ограничивают работу высокотемпературного компрессора кондиционера.
Проблемы еще и в другом.
С виду почти одинаковые воздушные теплообменники состоящие из фреоновых трубок и оребрения все же иногда по конструкции должны отличаться.
Если при плюсовых температурах кипения один и тот же теплообменник с успехом может работать и конденсатором и испарителем, что мы сплошь и рядом видим в реверсивных кондиционерах, где даже особо не удосуживаются равномерно распределять кипящий фреон по параллельным трубкам, а делают универсальный испаритель/конденсатор с параллельно/последовательным соединением труб, то при температуре окружающего воздуха около или ниже нуля и температуре кипения ниже нуля все уже не так.

Вот к этому и пришли, как снизить тепловой напор до 5-7К в воздушнике?
Если для кондея это довольно таки легко, уплотнив в 2-3 раза наружное оребрение и накатав пару тройку продольных ребер внутри фреоновой трубы для согласования теплоотдач фреон-металл-воздух, то для кондея в режиме ТН хоть и не сложнее, но значительно дороже.
В воздушных теплообменниках, работающих при отрицательных температурах расстояния между ламелями просто так не уменьшить. Моментально забьется инеем.
Если в кондеях расстояние между ламелями оребрения 1-1,5 мм вполне привычная величина, да и в конденсаторах других холодильных установок тоже, и в основном зависит от присутствующего мусора в охлаждающем воздухе, то в воздухоохладителях (испарителях) работающих при отрицательных температурах расстояние делают 6-10 мм, 12-15 мм и даже иногда значительно больше, в зависимости от требуемых условий.
Можно заметить, что объемный размер теплообменника при увеличении расстояния между ламелями в 10 раз (с 1 до 10 мм) вырастет тоже в 10 раз. Количество металла для ламелей не увеличится, а длина фреоновой трубы вырастет в 10 раз, с соответствующим 10 кратным удорожанием.
И это при той же мощности и тепловом напоре.
А еще надо напор снизить в 3 раза (до 5-7К), значит площадь ламелей в 3 раза увеличить.
Получается 30 кратная стоимость испарителя относительно стоимости конденсатора, при казалось бы одинаковых мощностях.
Это на Ваш вопрос о взаимозаменяемости и возможности работы теплообменника наружного блока в качестве испарителя.
А также:
Почему простое добавление четырехходового клапана за 30-40$ недостаточно для работы в режиме ТН при отрицательных температурах обычного кондея?
Почему в дешевых моделях кондиционеров принудительно запрещена прошивкой контроллера работа в качестве теплового насоса при отрицательных температурах, в крайнем случае -5?
Такие кондеи прекрасно будут работать в режиме ТН зимой скажем в Греции, Израиле, Египте, юге Китая, и тому подобных территориях, где температура опускается до +10 или до +5 и погреться тоже хочется. Отрицательной температура кипения в испарителе будет противостоять положительная температура обдувающего испаритель воздуха и инееобразование будет только в самом крайнем случае.
При отрицательной температуре кипения и приближении температуры окружающего воздуха к нулевой отметке, уже с +2 идет активное обмерзание теплообменных поверхностей, максимум обмерзание где-то при -7 (конечно зависит и от влажности), затем скачкообразно снижается из-за уменьшения влагосодержания воздуха, но не прекращается.
В нашем климате особенно в диапазоне от +2 до -7 такие неприспособленные теплообменники быстро обмерзают, а ниже -5 (кипение -20) не позволяет работать ограничение по компрессору.
Но даже если в дорогом инверторном кондее с впрыском, позволяющему компрессору работать до -40 стоят во внешнем блоке теплообменники с расстоянием между ламелями менее 6-8 мм, что можно даже визуально определить, ведь ещё и размер внешнего блока должен соответствовать теплообменной площади, то возможность полноценной продолжительной сезонной работы в качестве обогревателя крайне сомнительна.
Кратковременная, с частой оттайкой, да, но не более.
Можно посмотреть в спецификации воздухоохладителей для торгового холода расстояние между ламелями для различных температур, влажности и сделать вывод, почему там нет с маленькими расстояниями, как в бытовых устройствах.
Потому что таких потребителей обдурить и попытаться продать плохоработающую технику достаточно сложно, да и себе дороже выйдет.
Да им и не надо дешево и плохоработающе, вполне устраивает дорого и хорошо.
Для быта сплошь и рядом встречается дорого и в то же время плохо.

 

Уважаемый Декабрино, а почему самодельщики массово не переделывают кондеи во все-сезонные тепловые насосы путем добавления DX петли в грунт?

Вот у деда мороза есть машинка DX/A (http://geo-nasos.ru/index.php?option=com_content&view=article&id=7&Itemid=8). Но у нее нет воздушного контура. В результате весной когда на улице +10, а в земле 0 гр., она работает от земли.

Почему самому такую не сделать из обычного кондея, но при этом оставив воздушный контур.
Что бы когда на улице выше +5 работало от воздушного контура, а когда меньше +5, то работало из земляного контура?

 

Присоединяюсь к вопросу. Только немного по-другому. Почему к ТН не приделать воздушный контур, чтобы когда температура в земле меньше чем в воздухе - переключалось на воздух?

 

Спасибо. Я избавился еще от одного заблуждения. На самом деле виденный мною наружний блок от древнего кондея Де Лонги оказался прикольным аппаратом для низких температур, там ламели как раз где-то на сантим друг от друга, и сам радиатор здоровенный, и это при тепловой мощности всего 2,4кВт. Еще раз укрепился в мысли, что надо их купить. 5т.р за пару таких сплитов это не дорого?(Дело в том, что вблизи я только эти блоки и видел, думал, что у всех ламели так расположены, все время гадал- где все остальные находят радиаторы с ламелями в 1-1,5мм друг от друга)
Но это лирическое отступление. Теперь о деле. Насколько я понял, для снижения теплового напора необходимо иметь:
1. Воздух с влажностью менее 100% при -20, при тех же ламелях либо ламели через большее расстояние друг от друга.
2. Больший объем воздухообмена.
Вопрос с влажностью, как наиболее сложный, рассмотрим ниже, а вот воздухобмен сейчас. Итак, грубо говоря, объем воздуха, проходящий через испаритель есть произведение скорости воздуха на площадь поперечного сечения и время. Время есть константа, ибо по умолчанию меряем в часах, а остальное нет. Приобретя испаритель большего сечения, мы получим автоматически большее испарение без каких либо дополнительных затрат впоследствии. Однако мы можем взять блок меньшего сечения и поставить перед ним нагнетатель. Скорость прохождения воздуха увеличится, с ним и воздухообмен. Данный путь перспективен, если теплообменник для нашего ТН уже предполагает достаточно мощный вентилятор (группу вентиляторов). Однако понятно, что этот путь имеет свои пределы, т. к как при ламинарном, так и при сверхтурбулентном потоке образуется пограничный слой наподобие ламинарного, предел приращения функции, так сказать, или закон S-образной кривой по другому.

Влажность есть ахилессова пята всей системы воздушника. Если заставить работать теплообменник на энергии фазового перехода вода-лед, то мы получим огромное количество низкопотенциальной энергии, и что не в масть, так это то, что воздух из такого теплообменника будет выходить температурой -2...-4С. Но и с этим можно бороться.
Реализовать эту энергию в жидкостной системе проще и естественней, и этим Николай 1 и занимается https://www.forumhouse.ru/threads/134251/, я же хочу как отнимать энергию через воздух, так и переводить в высокопотенциальную воздухом.
Итак, приведенные вами выше данные относятся к АТМОСФЕРНОМУ воздуху, или к открытой системе, изменять параметры которой мы не в силах.
Однако если мы имеем дело с замкнутой системой с ограниченным объемом воздуха, то тут все несколько сложнее.
Предлагаю работу испарителя разделить на 3 температурных режима, в зависимости от температуры за бортом.
- выше +5
- от +5 до -20 (температуры кипения)
- ниже -20.
Итак, пока температура воздуха выше +5 пользуемся им напрямую, безо всяких теплообменников. Система открытая, атмосферная
В условном диапазоне обмерзания +5...-20 закрываем систему и для теплообмена пользуемся одним замкнутым объемом воздуха, который по воздуховодам и гоняем. Перед началом рабочего цикла прогоняем этот замкнутый объем через байпасный воздуховод, проходящий через маломощный испаритель, например морозилку от старого холодильника, расход электроэнергии небольшой, не беда, зато вся влага осядет на нем, т. е выполним условие менее 100% влаги при -20. ВВиду малого объема высушиваемого воздуха 3-5-10м3 и малого количества влаги процес не занимает много времени и не требует много энергии. С началом рабочего цикла байпас отсекается клапанами, становиться открытой системой и перходит в режим оттайки, воду через дренаж и опять сухонькие готовы к следующему циклу.
Таким образом малой кровью избегаем провалов в работе основного аппарата, а главное повышаем КПД всей системы.
И наконец, работа в морозы. Система незадолго перед рабочим циклом продувается морозным воздухом, потом клапана закрываются, она опять становиться закрытой и работает опять же на сухом воздухе.
Вообще же, используя огромные резервы энергии теплообменника, можно для гарантии в процессе работы процентов 10% воздуха забирать с улицы, подсушивая в процессе, так сказать, и такое же количество стравливать.
Пора спать. Если написал ахинею, не обессудьте...

 

А на самом деле все относительно. А именно- если мы подаем воздух на испаритель уже с некоей скоростью, а в дальнейшем вентилятор испарителя эту скорость увеличивает, то абсолютная скорость, т. е скорость относительно неподвижной точки будет очень высокой. А вот относительная скорость потока, т. е скорость потока после испарителя относительно первоначальной, до испарителя, будет невелика. Причем чем выше скорость до испарителя, тем меньше будет эффективность самого вентилятора испарителя. Таким образом, организуя мощный набегающий поток, практически наверняка можно увеличить интенсивность теплообмена без увеличения его площади.
Но и это еще не все. Как известно из физики, каждая система, предоставленная самой себе, стремится к минимуму потенциальной энергии. Применительно к воздушным массам это можно представить так. При резком разгоне воздушной массы первоначально ей придается определенная энергия, вызывающая турбулентизацию потока. В дальнейшем поток стремится вернутся к ламинарному строению. Применительно к нашему случаю если нагнетаемый поток перед испарителем пройдет некую дистанцию, то успокоится и уже единой массой упадет на испаритель. Таким образом, расчетные условия для данного агрегата по структуре потока изменятся не сильно, а вот объем проходящего воздуха можно увеличить весьма и весьма. Неужели никто не пробовал?

 

В принципе конечно можно переделать кондей, добавив к нему DX петлю, но тогда компрессор будет постоянно работать на границе своего рабочего диапазона, так как в медном зонде кипение идет при минусах, иногда довольно значительных, когда ощущается нехватка теплообменной площади трубки зарытой в холодную землю.
В недорогих кондеях в основном стоят простенькие ротационные горшки.

Затем захочется добавить к внутреннему блоку жидкостный теплообменник...
Или к жидкостному приделать воздушный...

Когда много возможных вариантов - хочется и того, и другого сразу.
Поэтому тот кто не знает всех тонкостей холодилки, не умеет паять-лудить, не берётся переделывать свой исправно работающий кондей,
а тот кто в теме, думает, что наверно проще с нуля собрать ТН сразу под нужные задачи, а при необходимости использовать детали б/у кондиционеров.
Почему вторые не делают?
Наверно слишком много раздумывают, вместо того, чтобы брать и делать.

Сам давно хочу собрать ТН воздух/вода примерно на 15-20 кВт для подогрева по ночам воды в уличном бассейне, да все руки не доходят, хотя конструкция примитивная и почти все детали валяются не первый год.
Пока раскачаешься, дела весенние переделаешь, уже июль, вода и так теплая,
а в середине августа уже и не до бассейна, есть дела и поважнее, зима на носу

 

Теоретически в небольшом доме можно вообще обойтись без водяной системы отопления, если иметь кондей, работающий при низких температурах на улице, т. е. с DX петлей. А если делать такие кондеи на базе серийных моделей, должно получится дешево.
Но я сам такой конечно не соберу. Но готов был бы купить и поставить один себе такой в дом, если бы кто его спаял и смонтировал

 

Dekabrino, так все таки, если решить вопрос с осушением воздуха в замкнутой системе, можно ли интенсифицировать теплообмен увеличением вкорости воздушного потока? И есть ли подобный опыт?

 

Даже не знаю, что ответить.
С точки зрения теории можно только приблизительно рассмотреть, что там может происходить, рассчитать сложно, проще доводить конструкцию экспериментальным путем, что впрочем практически всегда и делается. Практика только подтверждает теорию.
С увеличением скорости воздуха относительно теплообменной поверхности коэффициент теплоотдачи растет, но до определенных пределов.
Эти пределы определяются многими факторами,
например важна ведь не сама скорость движения потока, а своевременный отвод уже нагретой (или охлажденной) порции воздуха от теплообменной поверхности и подача на это место другой порции.
Ведь теплопроводность воздуха в 10 000 раз хуже алюминия (0,02 против 200)
Да и объемная теплоемкость в 2000 раз меньше, поэтому при первоначальной разнице в 10 градусов одинаковые по объему порции воздуха и алюминия в процессе обмена теплотой будут изменять свою температуру в той же пропорции.
Алюминий нагреется или остынет всего на 10*1/(2000+1)= 0,005 градуса,
а воздух изменит свою температуру на 10*2000 /(2000+1) = 9,995 градуса.
Если для алюминия с его высокой теплопроводность подвести или отвести новую порцию теплоты через тело материала не составляет труда, то для воздуха остается только конвекция.
Специально сделать такую селекцию по температуре сложно, поэтому воздух просто
перемешивают (добиваются турбуленции), увеличивая для этого скорость.
При определенных условиях даже в условиях турбулентного основного потока воздуха, в пристеночном пограничном слое будут области ламинарного течения, да и вообще могут образовываться стоячие зоны.
Надо учитывать конфигурацию теплообменника и динамическую вязкость воздуха.
Раз увеличиваем скорость, значит надо увеличивать протяженность области теплообмена вдоль потока воздуха, иначе он просто пролетит мимо, не успев толком перемешаться и обменяться теплотой с теплообменником.
Иначе будут лишние энергозатраты на бесполезную перекачку или просто потери теплосодержащего воздуха, скажем при рекуперации.
Есть еще различные причины, типа резкого снижения КПД широко распространенных осевых вентиляторов с увеличением напора и т. п, поэтому скорость воздуха редко делают выше 5 м/с, а чаще всего ограничиваются 2-3 м/с.

Насчет использования осушенного воздуха тоже выглядит не все просто.
Просто так один раз осушить воздух и забыть - не получится, надо делать абсолютно герметичную систему. Или постоянно удалять водяные пары.

В окружающей среде водяные пары будут присутствовать, и чем больше влажность, тем больше парциальное давление, а в устройстве с осушенным воздухом паров нет, давления паров тоже нет.
Под действием разницы парциальных давлений снаружи и внутри водяной пар будет стараться пролезть внутрь, в сухой воздух, для этого достаточно малейших неплотностей.
Представьте воздушный шарик с малюсенькой дырочкой, скорость его опорожнения зависит от площади дырочки и разницы давлений.
Так и с водяным паром, для него не важно, что внутри есть сухой воздух, воздух ему не помеха, главное там пара нет (парциальное давление 0), поэтому пар стремится туда, пока не насытит воздух до предельного влагосодержания, возможного при данной температуре и разности парциальных давлений.

 

Уважаемый, Dekabrino! Вновь перечитал всю тему! Не могу понять вот чего: как в моем самодельном ТН будет регулироваться то самое плечо работы? Т. е. 0W40 или 0W35 ? Мне понятно, что высокая сторона (конденсации) будет зависеть от того, когда датчик высокого давления остановит своим сигналом компрессор, т. е. настройки контроллера.

А как насчет низкой стороны? Она будет зависеть от чего? От количества фреона? Или от температуры охлаждаемой среды?

Вобщем этот пробел в знаниях не дает мне покоя.

 

Если Вы о цифре 0 в описании режима 0W40 или 0W35, то она от теплового насоса никак не зависит.
Это температура рассола или воды, поступающих в испаритель.
Зависить этот показатель может только от окружающей среды, погоды, количества погонных метров в контуре, глубины, характера грунтов и т. д.
Также важен диапазон возможных изменения этого параметра от начала отопительного сезона к концу.
Это одна из отправных точек, под которую проектируется сам тепловой насос.
Температура кипения в испарителе будет несколько ниже, а вот насколько ниже как раз и будет зависить от размера испарителя, расхода воды (или рассола) через него.
И регулироваться к сожалению не может, так как компрессор имеет постоянную производительность.
ТРВ регулирует только величину перегрева, не более того.
Компрессор по производительности должен быть подобран более менее под температуру кипения и количество паров производимых испарителем при этой температуре.