Ох уж этот загадочный тепловой насос...

Автор: Internet. Опубликовано в Самоделки

Содержание материала

Практическая реализация

Вообщем електричество, вода и медные трубы и вот вам и весь ТН. Теперь подробнее:

Холодний контур воды реализовал по простой схеме. Из колодца вода идет на теплообменник испарителя. Затем по трубам сбрасывается в осушительный канал. Куча земляных работ. 70 м. до канала  прорыл в ручную. Уложил пластиковую тубу и засыпал. Водозабор из колодца у меня общий для бытовых нужд и для ТН. Чтобы не конфликтовали два насоса на входе каждого пришлось поставить запорный кран.

   

Из вот этих деталюшек собрал собственно установку теплового насоса. Для этого изготовил теплообменники (труба в трубу). Медную трубу вставил в металопластиковую трубу под конденсатор 12м. и в пластиковую трубу под испаритель 10м.. Поверх теплообменников натянул термоизоляционную паралоновую трубу. На концах установил фитинги от труб с тройниками и загерметизировал выходы медной трубы высокотемпературным герметиком. Преемущества такого теплообменника по сравнению с пластинчатыми, которые применяются в производственных образцах состоит в его неприхотливости к качеству воды. А вода у меня не очень хорошая, с большим колличеством железа. К тому же они не боятся заморозки, и применение их на испарителе вполне оправдано. Для супер "бюджетного" проэкта, когда нет возможности организовать замкнутый контур в землянном коллекторе, такие теплообменники это единственный выход из положения.

 

Для расчета теплообменников воспользовался формулой Q=K*S*t*dT. Q количество тепла передаваемое через поверхностьS за время t при разнице температур dT. Открыл справочник по физике Кухлинга, коефициент теплопередачи текущая вода- металическая стенка К= 350+2100* V^1/2    V = скорость потока воды. Необходимо передать мощность 5 кВт. Примем перегрев или переохлаждение dT= 5 гр. Скорость потока для передаваемой мощности получаем из формулы Q=Cv*m*dT. dT сдесь нагрев воды в теплообменнике. Примем его тоже в 5 гр. У меня трубы на испарителе диаметры внутренний пластиковой 0.02 и внешний медной трубы 0.012 м. Перещитав получилось длина теплообменникапримерно 10м. Для конденсатора диаметрывнутренний металопласта 0.02 и внешний медной трубы 0.01 м. взял  12 м. Все получилось и подтвердилось эксперементально. Как выяснил уже потом на практике принято расчитывать теплообменники для теплопередачи в схеме фреон-медь-вода по приблеженной формуле S(м^2)=W(вТ)/(0,8*dT) при потоке воды 1 м/с, dT температура нагрева воды. Теплообмен фреон - медь хуже, чем медь-вода. Указанная формула приближенно учитывает два процесса теплообмена.  Результаты расчетов отличаются, но не на порядки, а практика показала, что и моих теплообменникав достаточно. Как бы там нибыло, чем больше теплообменники, тем лучше. А покупать пластинчатые очень дорого. Для повышения теплопередачи в теплообменниках знатоки рекомендуют медную трубу немного неоднородно повальцевать (поколошматить), чтоб она имела вид сосиски. Это делается для создания турбулентности в токе воды и фреона.

Сварил раму и к ней на сайлент блоках от автомобиля установил компрессор. Использовал роторный компрессор от кондиционера на 1,2 кВт по току 3,8 кВт по холоду.

             

                  

Затем, что самое главное, пригласил мастера холодильщика на все готовенькое. Он сварил на медь все это в правильном порядке в один контур и заполнил систему фреоном. Вот что у нас получилось в разных ракурсах. Сварка медных трубок осуществлялась кислородно-пропановой горелкой и серебрянно-медным припоем. В принцыпе это освоить можна и самому, поскольку после прогрева трубок до 900 С припой сам довольно хорошо ростекается и заполняет собой все щели, но заморачиваться со всем этим ради десятка соединений поверте не стоит. Для себя понял,  что самостоятельно без необходимых навыков и знаний  всего не сделать всеравно по началу. От количества фреона в системе зависит температура кипения фреона  и соответственно регулируя его содержание можно подобрать необходимый оптимальный режим, что и сделал с успехом мастер.  В оределенных пределах температуру кипения также можна регулировать винтом на ТРВ, при этом также меняется температура на конденсаторе и производительность компрессора. Регулируя ТРВ необходимо  следить, чтобы не слишком перегревался компрессор. Предельно допустимая температура для компессора 80-90. Вобщем есть всякие тонкости, и натворить можно...

                    

Дальше я установку подсоединил к контуру отопления и охлаждения в противотоке, и все работает как не странно.

                    

Пока автоматику реализовал програмируемым таймером на 24 часа. В колодец кинул поплавковый выключатель на всякий случай, хотя дебета воды вполне хватает. В системе также предусмотрена защита от заморозки испарителя, отсутствия циркуляции воды в теплообменниках и утечки фреона. Любая автоматика управляющая компрессором должна иметь "задержку" на случай отключения. Компрессор нельзя сразу включать после остановки, пока не выравняется давление фреона в системе. Это время обычно составляет 3 минуты. Такую задержку я организовал механически (пневматически) приставкой на пускателе. Можна также использовать электронные задержки, они удобнее, но и дороже. Собрал это все в коробочке для счетчика и закрепил на стене. В дальнейшем предполагаю закрыть установку звукоизоляционным материалом.

ИЗМЕРЕНИЯ   Купил два цыфровых термометра, проверил на себе, оба показали 36,6. Также купил стандартный счетчик воды и установил эти приборы в контур входящей холодной воды. Один термометр установлен стационарно на выходе из теплообменника прямо в струе воды. Для этого залил заглушку в тройнике эпоксидкой, куда вставил щуп. Щуп другого изолентой приматывался к измеряемым местам и термоизолировался паралоновыми трубками. Ну что еще, таймером пользовался на мобилке для измерения скорости потока воды.

Измерив температуру фреона на конденсаторе и испарителе и подставив в вышепреведенную формулу, получил x=6,4. Более точные калориметрические  измерения Q=Cv*m*dT, где dTтемпература охлаждения воды в теплообменнике испарителя, показали коефициент в районе 2,6-2,8. Стал выяснять что можна еще сделать, чтобы повысить эффективность.  Интернет не без добрых людей. Особенно полезным оказалось общение на форуме Дом и Дача http://www.forumhouse.ru/forum215/ . Оказалось что для ТН в схеме необходимо одно принципиальное усовершенствование.

Для повышения эффективности работы ТН необходимо устанавливать дополнительный промежуточный регенеративный теплообменник. Этого не знал я, не знал и мастер. Дело в том что из конденсатора фреон выходит с довольно высокой температурой и использовать эту енергию не представляется возможным для отопления. Температура воды в теплообменнике в цепи нагревания достигает этой температуры и  не может отнять больше энергии у фреона. Теплый фреон идет на распылитель и попадает перегретым в испаритель. Это  понижает производительность по холоду. Чтобы как то использовать эту енергию ставят регенеративный теплообменник на котором жидкий "горячий" фреон после конденсатора подогревает пары фреона после испарителя. Снижение температуры жидкого фреона перед ТРВ благоприятно влияет на режим работы, заполнение испарителя и как следствие на холодильную мощность и общую эффективность ТН.

На фото видно этот регенеративный теплообменник как дугу медной трубки. Изготовил я его по той же схеме труба в трубу. Взял гибкую медную трубу длиной 1.5 м диаметром 22 мм и в нее вставил трубку 10 мм. Для того, чтобы улучшить теплообмен с газом (увеличить площадь поверхности)на внутренюю трубку предварительно намотал 3 м многожильного медного провода сечением 5 мм и краи провода припаял к тубке, чтобы провод не разматывался. Согнул теплообменник в кольцо диаметром 0.5м и установил в середину бухты основных теплообменников. Теплообменник по краям мастер заварил на медь и соединил с системой по схеме, так чтобы по внутренней трубке проходил жидкий фреон, а газообразный между трубками. В результате теплообмена на ТРВ подается холодный фреон, что улучшает условия для его испарения в испарителе.  Такое усовершенствование повисило производительность ТН на 10 а то и 15%.

            

Недостатком такого метода повышения эффективность ТН является то, что на всасывании в компрессор может попасть слишком теплый фреон. Компрессора сконструированы так, чтобы охлаждаться холодным, газообразным фреоном. Поэтому такой способ не безопасен и возможен только при температурах фреона на всасывании до 20 гр. Как альтернативный может использоваться другой метод, повидимому не мене эффективный при прочьих равных условиях, но технически проще и безопаснее. После теплообменника конденсатора устанавливают теплообменник для подогрева входной холодной воды или гликоля. При этом также можно повысить температуру кипения фреона в испарителе и повысить эффективность согласно с вышеобсуждавшейся формулой.

Для более точной оценки производительности ТН необходимо будет в дальнейшем производить измерения в контуре теплой воды. А пока я достиг указанного в спецификации для моего роторного компрессора коэфициента x=3,1-3,3. Температура на теплых полах поддерживается 23-25С. В доме 17-18С при температуре на улице не ниже -5. Отапливаемая площадь 60 квм.  На подаче в контуре отопления температура 30-33С обратка 26-28С.

Еще одна тонкость, которую надо учитывать при проэктировании ТН. В комрессоре всегда есть масло. Оно, никуда не дется, испаряется и циркулирует по системе. Ничего бы страшного не было, но на холодных участках оно загустевает и может ухудшить теплоотдачу. Специалисты рекомендуют делать  правильно уклоны газовых трубопроводов и  устанавливать перед каждым восходящим участком маслоподъемную петлю. Что хорошо - это то, что для маломощных установок все это не так важно.

В принцепе все просто и не дорого. Собирался долго но сделал всего за два месяца с перебоями, когда появлялась возможность. Потом еще бегал за мастером полтора месяца, чтобы установить регенеративный теплообменник. Когда начинал многого из технических деталей не знал. Теперь когда все работает, все равно многого не знаю, зато начинаю понимать мудреные обсуждения на професиональных форумах . Приведу только основные денежные затраты на установку собственно теплового насоса.

компрессор на 1,2 Квт по току (новый) - 200 УЕ

ТРВ терморегулируемый вентиль - 65 УЕ

медные трубы 6 Кг - 115 УЕ

Рессивер для фреона б/у - 20 УЕ

датчик давления фреона б/у 8 УЕ

Датчик температуры - 10 УЕ

Защита от холостого хода насоса - 15 УЕ

Таймер - 10 УЕ

всякие там трубы ~ 50 УЕ

фитинги, и прочая ерунда 50-80 УЕ

електропускатель с задержкой - 16 УЕ

мастеру за сварку медных труб и фреон 80 УЕ

Итого ~580-640УЕ плюс собственная работа. Идите и попробуйте купить за эти деньги котел на дровах или на газу.

Остальные затраты у меня незначительные, поскольку копал сам, труба плюс фиттинги 40 УЕ, насос на подачу холодной воды (250 Вт) -50 УЕ, колодец вырыл 4 года назад - несчитается. Теплые полы, батареи - все было установлено под  котел на дрова, переделывать практически ничего не пришлось.

Так как воды в колодце поначалу нехватало зимой для обеспечения 5 кВт тепла, попробовал реализовать самый простой вариант подземного коллектора. Суть этого метода состоит в бурении скважины недалеко от колодца для того, чтобы сливать  в нее воду, таким образом повышая дебет колодца. Растояние от колодца до скважины должно быть 10- 20 м. На таком расстоянии охлажденная вода прогревается на пути к колодцу. При этом повышается локальный уровень грунтовых вод.Выбуреная скважина сразу давала очень много воды, так что мы "малышом" просто не могли ее откачать. Во всяком случае больше чем 1200 л/ч. В принцыпе есть такое правило для скважин - дебет забора и дебет сброса воды одинаков. Также прочистил и немного углубил колодец. Первые испытания показали увеличение дебета для обеспечения безперебойной работы ТН 600 л/ч.

Что можно еще сказать... Торговцы готовым оборудыванием  авторитетно рассказывают про фирмы, бренды, опыт, головную боль и прочие ужасы самоделки, чтобы только взять свои денежки. Чуть ли ни крутят пальцем у виска, когда вы заикаетесь, что будете что-то там делать, не  по их понятиям. Сами то они в своей жизни вряд ли что сделали своими руками, хотя и среди них попадаются люди. Собрать ТН не так сложно, а готовые образцы такие неадэкватно дорогие, что стоит хорошо задуматься умеете ли вы держать в руках инструмент. За все, что вы получите готовеньким на тарелочке прийдется платить в три дорога, а если сами сделаете, получите еще и знания в придачу. Будете активными,  вам  обязательно помогут, не перевелись еще умельцы, и не все жлобы в этом мире.

ТИПИЧНЫЕ ОШИБКИ

1. Многие думают, что ТН это тот же котел, только намного эффективнее. Да эффективнее но не тоже. Для експлуатации ТН прийдется использовать нагревательные елементы большой площади - теплые полы, теплые стены, в два а то и в три раза большее колличество батарей чем для обычного котла. Вообще это решение практично в случае нового дома, специально утепленного и спроэктированого. В ином случае необходимо будет производить значительные перестройки, и не все тут однозначно.

2. Многие не понимают разницу между енергией и температурой. По их мнению вода с температурой 70 грС содержит больше энергии чем вода с температурой 40 грС. Это утверждение безотносительно. Все зависит от того сколько мы имеем воды с температурой 70С а сколько с 40С.

3. Многие думают, что если в ихних колодцах три кольца воды, то их дебет большой. Это не всегда так. Это можна установить только экспериментально. Секундомер, насос, мерительное ведро, ну кто во что гаразд. При этом дебет зимой обычно падает.

4. Многие думают, что если у них дома горит електрическая лампочка то ТН будет тоже работать. Это не всегда так, поскольку в сельской месности  ток обычно очень плохой. Для роботы компрессора желательно иметь стабилизированое напряжение, а в идеале три фазы. Стартовые токи однофазных  компрессоров очень большие и стабилизировать сеть могут только електронные стабилизаторы, которые весьма недешевые. Затраты, которые вы понесете на стабилизацию тока, необходимо учитывать при проэктировании.

Copyrights http://panxatka.narod.ru/