Подсказки для самостоятельного изготовления теплового насоса

Подобные мысли многим покоя не дают.
Кому не хочется получить хорошие показатели и потратиться как можно меньше?
Но давайте подробнее рассмотрим вариант конденсатора из трубы.

Труба может быть стальной, медной, из нержавейки, да из любого материала, хоть пластмассовой, лишь бы он удовлетворял критериям типа:
-совместимость с хладагентом
-запас механической прочности
-достаточная непроницаемость для выбранного хладагента
-температурный диапазон
-теплофизические характеристики
-долговечность
и некоторые другие

Для некоторых веществ, типа изобутана, вполне может подойти пластик, но ограничением будет горючесть конструкции, даже если подойдет по теплофизическим параметрам.

Для аммиака неприемлемы медь и некоторые другие цветные металлы.
Но я знаю людей, которые ради прикола заправляли аммиак в обычный сплит на R22 и с интересом долго-долго ждали когда же наконец накроется компрессор.
Ждать можно очень долго, если нет воды в холодильном контуре, но даже небольшое её количество, растворённое в аммиаке, сделают раствор агрессивным по отношению к меди и быстро выведет систему из строя.

С традиционными фреонами совместимы практически любые материлы, из которых можно сделать трубы, но при накладывании ограничений по механической прочности остаются металлы, а если учесть требования по чистоте, которую трудно поддерживать в стальных заготовках при транспортировке, лучшим выбором остается медь.
Корпуса же компрессоров, ресиверов, фильтров и т. п. в условиях производства делают из стали.
До недавнего времени применять трубы из нержавейки в бытовом холоде даже не приходило в голову, медь была удобнее, да и дешевле. Теперь в теплообменном оборудовании очень хочется её чем нибудь заменить, из-за того, что мировая цена на медь спекулятивно подорожала, (а куда мы денемся, без меди в энергетике никуда, а энергетические корпорации сейчас рулят...)
Теплопроводность любых металлов намного лучше теплопроводности фреонов, воды и гликолей, поэтому из чего будет сделан теплообменник, из стали, из алюминия, из серебра, меди или золота в нашем случае не так важно, разницы в теплотехническом смысле будет не заметно, а вот в цене...
Поэтому ППТО из нержавейки получается прочнее и легче, при тех же габаритах, чем из меди, хотя паяется всё равно медью. А теплотехнические характеристики для газов, воды, фреонов и гликолей практически не будут отличаться.
Эффективность ПТО заложена в его конструкции - большая скорость в каналах, высокая турбулизация, маленькое гидравлическое сопротивление,
большая площадь теплообмена при небольших габаритах.
Это позволяет получить до 5 кВт с м2 поверхности при перепаде в 1 градус.
В лучших вариантах заводских трубчатых теплообменников эта величина в районе 1 кВт, в самодельных чаще всего от 0,5 до 1.
Поэтому для 3,5 кВт Вам потребуется уже не 0,2 м2 теплообменной поверхности, как в ПТО, а раз в 8-10 больше.
Соответственно надо пересчитать и стоимость+ труд.

 

Надо добавить, что подбирая детали для своего устройства,
всё равно придётся пойти на какие либо компромиссы.
Цена, эффективность, надёжность, простота - всё это в некотором роде повязано между собой.
Если хочется хороших характеристик, надо подбирать теплообменник руководствуясь перепадом температур (для водяного) 3-5 градусов, а это при мощности конденсатора 3,5-4 кВт составит около 0,2 м2 теплообменной поверхности для ППТО или 1-1,5 м2 для "труба в трубе" или более 2 м2 для "трубы в пластмассовой бочке"
Если будет теплообменник с меньшей площадью, то это совсем не значит, что он не обеспечит нужных Вам 3,5 кВт. Конечно сможет обеспечить, куда он денется, ведь это количества теплоты всё равно будет к нему подводиться компрессором со стороны фреона. И он просто обязан будет их передать в другую среду, в воду или гликоль в нашем случае. Но температурный перепад вырастет пропорционально нехватке площади.
Будет уже не 4 градуса, а скажем 7-8. Чтобы сохранить температуру конденсации обратку надо подавать холоднее, а где её взять холоднее, не форточки же окрывать в доме
В результате всё же увеличится именно температура конденсации, с соответствующим падением КОП.
Если площадь теплообменной поверхности будет ещё меньше, температурный напор ещё подрастёт, ещё подрастёт температура конденсации и давление, а общая эффективность станет ещё меньше.
И так до тех пор, пока не начнёт срабатывать защита, если она есть.

 

какое примерно соотношение мощности теплообмена и площади для ПТО при дельте 5 градусов.
Для конденсатора 3.5 Квт 0.2 м2 ,
здесь ebay.de/itm/Warmetauscher-Plattenwarmetauscher-Split-Klima-Bordel-/360262124716?pt=LH_DefaultDomain_77&hash=item53e14bc4ac#ht_1449wt_698[/url] для похожей мощности выходит около 1м2

 

Абсолютно согласен. Однако, мы сравниваем ПТО и трубчатый теплообменник с гладкой трубой. Я же предлагаю вместо гладкой трубя применить гофрированную трубу. Получим некое подобие пластинчатого теплообменника (там тоже гофрированные пластины для увеличения турбулизации).
Конструкция трубчатого теплообменника с гофрированной нержой мне видится вот как:
15-я труба (наружний диаметр у нее чуть меньше 20) помещается в отрезок ППР (ПНД) трубы длиной 1 метр и диаметром (внутренним) 23-25мм. Таким образом, мы получим высокую скорость потока и высокую турбулизацию. Условия получаются очень похожие на вариант с ПТО. Для полной красоты, можно применить наружную гофрированную трубу (пока не задумывался какую. Чтобы получить невысокое гидравлическое сопротивление, собираем таких отрезков несколько штук (можно прикинуть, сколько надо для обеспечения необходимого протока в зависимости от внутреннего диаметра ППР трубы) и соединяем в параллель (как пластины в ПТО).
А теперь самое интересное. Посчитал я площадь поверхности теплообмена для трубы - гофрированной нержавейки. Получается, что один погонный метр 15-й трубы имеет площадь порядка 0.125 кв. метра . А это уже интересно. 10 меровых отрезков дадут площадь теплообмена 1.25 квадратных метра. А есть еще и трубы с бОльшим диаметром!
Себестоимость такого теплообменника составит порядка 3000 рублей плюс день работы. Габаритные размеры - длина метр (можно и полметра для красоты), ширина 30 (или 60 для полуметровых труб) и толщина 3 сантиметра. Причем, можно комбинировать соотношения сторон для удобства конструирования.
Для увеличения турбулентности можно между трубами ставить дополнительные рассекатели-завихрители. Но это уже на стадии экспериментов.
Вот, интересно, как оценить такой теплообменник в лабораторных условиях не имея под рукой теплового насоса. Как вариант, подать холодную и горячую воду с разных сторон.

Вот еще интересная мысль пришла в голову. Засунуть одну нержавейку в другую. Тогда турбулентность будет просто безумная. Да и скрутить их можно в бухту для уменьшения массогабаритов.Ориентировочная цена погонного метра такого решения порядка 300 рублей плюс фитинги.

 

Пробуйте, расскажете...
Конечно можно сделать эксклюзивный теплообменник с характеристиками лучше серийных. Только не всё так просто, быстро и дешево.
Чудес не бывает. Но!
Если сделаете самодельный теплообменник с площадью теплообмена, формой и сечением каналов, линейной и объёмной скоростью потока в них, такими же как у заводского ПТО, то и характеристики окажутся такими же.
А если вдруг форма каналов окажется более удачной и скорость там окажется выше, а гидравлическое сопротивление меньше, то и характеристики будут лучше чем у заводского.
Дерзайте! И не забывайте про критерий Рейнольдса, которому угодить непросто.

Что это такое - безумная турбулентность?
Нам такого не надо.
Переход от ламинарного течения к турбулентному в напорных потоках определяется числом Рейнольдса, которое связывает между собой плотность жидкости, вязкость, линейную скорость, объёмную скорость, сечение потока, форму сечения и т.д.
При начале турбулентного течения теплоотдача от или к жидкости сначала резко возрастает, по мере увеличения скорости сначала продолжает расти, потом падает, затем снова начинает расти, но непропорционально резко возрастающее гидросопротивление начинает сводить эффект на минус.

Наверно наружная площадь метрового отрезка такой трубы всё же только около 0,06 м2.

 

Я считал площадь гофры с учетом ребер

 

Еще остается вопрос с маслом, сколько его останется в этих ребрах.
Теперь о возможности применения
Я запрашивал сертификаты у поставщиков нержавеющих гофротруб. Один поставщик прислал сертификат, позволяющий применять гофротрубы в кондиционерах (на кораблях применяют), но только не в ответственных узлах.
Типа кондиционер в каюткампании можно, а в реакторе нельзя...
И нужно проверить возможность применения по максимальному давлению.
Возможно применять в испарителе, там давление меньше, а в конденсаторе... увы, кажется, приближаются к максимально допустимому в гофротрубе (16 атм). Проверьте, давно смотрел, могу ошибиться.

 

Пусть так.
Я не стал переспрашивать точные значения шага ребер трубы, которую хотите использовать в своих экспериментах, а просто взял средний диаметр

так как даже не думал придавать особого значения глубине ребер именно в такой реализации теплообменника

Давайте размышлять дальше, перед тем как делать.
В этом случае поток, идущий вдоль оси гофрированной трубы, что внутри, что снаружи будет омывать верхушки ребер, в глубине же будут застойные зоны, которые никак улучшению теплообмена не поспособствуют.
И турбулентный поток будет только на кончиках ребер.
Если проанализировать поведение потока вдоль оси гофры, то чем больше (глубже) ребра, тем хуже, как не парадоксально на первый взгляд это выглядит.
Ведь именно эти зоны будут контактировать с другой средой теплообмена и скорее будут ухудшать, а не улучшать теплообмен, так как основная теплопередача будет идти именно через застойные пограничные участки в вершинах (глубине) ребер.
Если нарисуете на бумаге гофрированную трубу внутри другой трубы, то сразу поймете почему.
Чтобы несколько интенсифицировать теплообмен, используя умеренно развитую площадь гофрированной трубы, поток должен идти параллельно ребрам, что возможно не в теплообменнике "труба в трубе", а в межтрубном пространстве кожухотрубного ТО, с перегородками организующими поток нужным образом.
Притом, в межтрубном пространстве кожухотруба должна циркулировать среда с худшими теплофизическими характеристиками, а внутри гофр с лучшими, так как внутри трубы поток может протекать только вдоль оси и средняя теплоотдача стенки внутри гофрированных труб будет хуже, ввиду этих самых застойных зон между ребрами.
Во всяком случае фреон внутрь гофры не надо, чтобы не было головной боли с возвратом масла.

И величина (глубина) этих ребер должна быть разумно-умеренной. Во всяком случае отношение шага ребер к их глубине должен быть поболее единицы и зависеть от отношения характеристик теплообменных сред внутри и снаружи гофры.
Ну где-то так...

 

Давайте думать дальше. Уж очень хочется пустить фреон внутрь гофрированной трубы - больно красиво получается.
Гофра у этой трубы достаточно плавная, без острых углов. Шаг - 4.7мм, глубина - 2мм.
Для того, чтобы направить поток вдоль ребер, предлагаю внутрь трубы поместить пластину, закрученную в спираль, а снаружи накрутить и припаять в нескольких точках толстую медную проволоку. Таким образом, потоки будут закручиваться и добавится скорость.
Вопрос с маслом остается открытым. Не знаю, как его посчитать.
В ближайшее время доделаю свою конструкцию и проведу испытания. Только вместо фреона будет вода...

 

Я начал делать теплообменники по такой схеме (см.вложения)
Стальной кожух с протекающим по нему россолом, медная труба двурядной навивки с фреоном (показана окружностями), перегородками из стеклотекстолита формируется путь протекания россола указанный красной линией (прошу прощения за наспех выполненный рисунок).
Думаю, что это будет значительно лучше, чем змеевик в бочке, а габаритами меньше, чем "труба в трубе", правда вес получается около 30кг для 2-х с небольшим киловатт.
Ваше мнение?

 

Гибрид кожухотрубного и кожухозмеевикового.
Конечно лучше, чем просто змеевик в бочке, который является разновидностью
кожухозмеевикового.

 

вот, нашел недорогие теплообменники
www.brazetek.com
оплата кредиткой, доставка бесплатная. Под 410 фреон, кажись, подходят.
Остается вопрос подключения трубопроводов.
Dekabrino, что скажете?

 

похоже, с бесплатной доставкой я ошибся. выясню стоимость - отпишу.

 

А где вы нашли что они вообще подходят под фреон ?

 

я смотрел по максимальному давлению
доставка в Москву порядка 50$