Тепловой насос фреон вода своими руками

Как сделать тепловой насос своими руками

Сегодня мало кто сомневается в том, что тепловой насос для отопления дома – самое эффективное средство из всех существующих. Оно же — самое дорогое и сложное в исполнении. По этой причине многие домашние умельцы взялись за самостоятельное решение данной проблемы. Но ввиду ее высокой сложности достижение положительных результатов дается весьма непросто, нужно иметь энтузиазм, терпение и вдобавок хорошо изучить теорию. Наша статья для тех, кто делает первый шаг на пути внедрения у себя дома такого альтернативного источника энергии, как тепловой насос, сделанный своими руками.

Устройство и принцип работы

Для сборки действующей модели теплового насоса не обойтись без знания теории, а точнее, принципа действия этого устройства. Хотелось бы изначально отметить, что утверждения о КПД в 300, 500 и 1000% — это миф или просто маркетинговый ход, рассчитанный на незнание рядовым пользователем законов физики. Так вот, тепловой насос – это устройство, берущее тепловую энергию в одном месте и перемещающее ее в другое с определенным КПД, не превышающим 100%. В отличие от котельных установок, он самостоятельно тепло не производит.

Примером могут служить домашние холодильники и кондиционеры, чья конструкция основана на так называемом цикле Карно, его же использует принцип работы теплового насоса для отопления или ГВС. Суть этого цикла заключается в движении вещества (рабочего тела) по замкнутой системе и меняющего свое агрегатное состояние с жидкого на газообразное и наоборот. В момент перехода выделяется или поглощается огромное количество энергии.

Чтобы пояснить на более доступном языке, перечислим основные элементы, которые включает в себя устройство теплового насоса:

• компрессор;
• теплообменник, где рабочее тело переходит в газообразное состояние (испаритель);
• теплообменник, в котором рабочее тело конденсируется (конденсатор);
• расширительный (редукционный) клапан;
• средства управления и автоматики;
• магистрали из медных трубок.

В качестве рабочего тела выступает вещество, закипающее при низких температурах – фреон. Циркулируя по трубке в виде жидкости, первым делом он попадает в испаритель. После взаимодействия с теплоносителем от внешнего источника (воздух, вода, грунт) рабочее тело испаряется и продолжает свое движение в виде газа. На этом участке давление в системе — низкое. Всю цепочку цикла отражает принципиальная схема теплового насоса:

Пройдя компрессор, фреон под давлением движется ко второму теплообменнику, где ему предстоит сконденсироваться и передать полученное тепло воде, снова приняв жидкое состояние. Далее, рабочее тело попадает в расширительный клапан, давление снова падает и оно продолжает свой путь к испарению. Цикл завершен.

Заводские теплонасосы для жилого дома способны выдавать теплоноситель с температурой 55—60 ºС, этого достаточно для обогрева помещений радиаторами либо теплыми полами. При этом вся система отопления затрачивает электроэнергию на такие цели:

• питание компрессора;
• вращение роторов циркуляционных насосов наружного и внутреннего контура;
• питание средств автоматики и контроля.

Получается, что при потреблении 1 кВт электричества действие теплового насоса может переместить в дом до 5 кВт тепловой энергии извне, отсюда и небылицы о КПД 500%.

Тепловой насос воздух-воздух

Теоретически любая среда, имеющая температуру выше абсолютного нуля (минус 273 ºС), обладает запасом тепловой энергии. А значит, ее можно извлечь, уж тем более это нетрудно сделать при температуре окружающего воздуха минус 10—30 ºС.

Для этой цели служит тепловой насос воздух-воздух, отнимающий тепло у наружной окружающей среды и перемещающий его внутрь частного дома. Это самый доступный способ по цене оборудования и стоимости монтажа, он же – наименее эффективный. Чем крепче мороз на улице, тем меньше тепла удается получить. Принцип действия системы показан на рисунке:

Наружный блок воздушного теплового насоса внешне похож на такой же агрегат сплит-системы, только внутри у него нет компрессора. Остается лишь пластинчатый теплообменник и вентилятор, чьей задачей является повысить интенсивность процесса путем нагнетания через пластины большого количества воздуха.

Тепловой насос вода-вода

Более эффективным вариантом считается тепловой насос вода-вода. Он извлекает тепловую энергию из ближайшего водоема, если таковой есть на расстоянии до 100 м от дома. Другой, более распространенный способ – отбор тепла у грунтовых вод через скважину. По сути, скважин нужно 2: одна для выкачивания воды, другая – для ее сброса. Ниже представлены схемы тепловых насосов, действующих по такому принципу:

Здесь есть свои нюансы. Вода из скважины должна проходить очистку перед попаданием теплообменник, а трубы надо прокладывать ниже глубины промерзания грунта. Другое дело – контур на дне водоема, он заполняется незамерзающей жидкостью (пропиленгликолем), что служит посредником между водой и хладагентом.

Важно. Способность обеспечить частный дом тепловой энергией в этом случае зависит от производительности скважины и объема воды в пруде. Также существуют варианты погружения внешнего контура в проточную воду реки или канализационный септик.

Также существуют геотермальные тепловые насосы, чей принцип работы не отличается от предыдущих типов аппаратов, только тепло извлекается из грунта на глубине, где температура всегда одинакова – плюс 7 ºС. Для этого в землю закапывается горизонтальный контур из труб, занимающий большую площадь, либо в скважины глубиной 25 м опускаются геотермальные зонды. В обоих случаях в качестве теплоносителя используется антифриз.

Считается, что работа теплового насоса, добывающего тепло из грунта, — самая стабильная и эффективная. Но покупка и монтаж подобного оборудования очень дороги, а домашние мастера-умельцы редко прибегают к реализации этого варианта.

Как собрать тепловой насос в домашних условиях?

Поскольку термодинамический расчет теплового насоса представляет для большинства домашних мастеров — самодельщиков немалую сложность, приводить его здесь мы не будем. Наша задача – представить несколько действующих моделей, чтобы любой энтузиаст мог взять какую-нибудь из них за основу для создания собственного детища.

Необходимо отметить, что тепловой насос, придуманный и собранный своими руками, для подавляющего большинства рядовых пользователей останется недостижимой мечтой, если не приложить к его изготовлению массу усилий и времени.

Простейший тепловой насос из старого холодильника был описан в статье журнала «Инженер» за 2006 г. Он позиционируется, как нагреватель воздух – воздух для небольшого помещения или теплицы. Кстати, какой бы ни был мощный бытовой холодильник, на обогрев даже небольшого дома его не хватит, а вот на 1 комнатку – вполне. Решение реализуется 2 способами, причем внутренняя автоматика отключения демонтируется и все агрегаты соединяются напрямую для непрерывной работы. В первом случае старый холодильник находится в помещении, конструкция насоса показана на схеме:

Снаружи к нему прокладывается 2 воздуховода и врезается в переднюю дверку. Воздух по верхнему каналу попадает в морозилку, охлаждается и опускается к нижнему воздуховоду из-за увеличения плотности. Затем он покидает корпус холодильника, вытесняемый верхним потоком. Помещение прогревается от теплообменника, расположенного на задней стенке агрегата. По второму способу сделать своими руками тепловой насос так же просто, надо лишь встроить холодильник в наружную стену, как изображено на схеме:

Самодельный обогреватель из холодильника может функционировать до наружной температуры минус 5 ºС, не ниже.

Тепловой насос из кондиционера

Современные сплит-системы, особенно инверторного типа, успешно выполняют функции того же теплового насоса воздух – воздух. Их проблема в том, что эффективность работы падает вместе с наружной температурой, не спасает даже так называемый зимний комплект.

Домашние умельцы подошли к вопросу иначе: собрали самодельный тепловой насос из кондиционера, отбирающий теплоту проточной воды из скважины. По сути, от кондиционера тут используется только компрессор, иногда – внутренний блок, играющий роль фанкойла.

По большому счету, компрессор можно приобрести отдельно. К нему потребуется сделать теплообменник для нагрева воды (конденсатор). Медная трубка с толщиной стенки 1—1.2 мм длиной 35 м наматывается для придания формы змеевика на трубу диаметром 350—400 мм или баллон. После чего витки фиксируются перфорированным уголком, а затем вся конструкция помещается в стальную емкость с патрубками для воды.

Компрессор из сплит-системы присоединяется к нижнему вводу в конденсатор, а к верхнему подключается регулирующий клапан. Таким же образом изготавливается испаритель, для него сгодится обычная пластиковая бочка. Кстати, вместо самодельных емкостных теплообменников можно использовать заводские пластинчатые, но это обойдется недешево.

Сама по себе сборка насоса не слишком сложна, но здесь важно уметь правильно и качественно пропаивать соединения медных трубок. Также для заправки системы фреоном потребуются услуги мастера, не станете же вы специально покупать дополнительное оборудование. Дальше – этап наладки и пуска теплового насоса, который далеко не всегда проходит удачно. Возможно, придется немало повозиться, чтобы добиться результата.

Заключение

Конечно, отопление дома тепловым насосом – мечта многих домовладельцев. К сожалению, стоимость установок слишком высокая, а справиться с собственноручным изготовлением могут единицы. И то зачастую мощности хватает лишь на ГВС, об отоплении речь не идет. Если бы все было так просто, то у нас в каждом доме стоял самодельный тепловой насос, а пока что он остается недоступным широкому кругу пользователей.

Источник

RuslanG (пишу когда есть время 🙂

Пишу потому что. Чтобы самому не забыть. Делайте что хотите :). Не бойтесь начинать, откроете что-то и узнаете новое.

воскресенье, 2 декабря 2012 г.

Теплообменник для ТН (теплового насоса) своими руками.

Для нашего доморощенного ТН необходимо как минимум два теплообменника — испаритель и конденсатор. Основной параметр теплообменника разность (дельта) температур при необходимой мощности. Существует масса программ для подбора теплообменников под ТН, из всех программ более или менее полную информацию удалось добыть из программы Danfoss Hexact (1.4.1).exe, хоть и бесплатная, но требует регистрации на сайте, защита программы глючная поэтому у меня после 4 регистраций программа так и не заработала (пришлось ломать защиту :). Программа позволяет подобрать конкретную модель теплообменника по многочисленным параметрам, но из справочника danfoss. Цена теплообменников около 18 тыс. рублей на 10 кВт мощности, что для нашего ТН мощностью 10 кВт обойдется около 36 тыс. рублей. Если цена устраивает то покупаем, и забиваем на попытку изготовить теплообменник в домашних условиях.
Дальнейший ход рассуждений имеет смысл для тех у кого нет заводских теплообменников, но есть желание попытаться (именно попытаться) изготовить его кустарно.

Начало рассуждений по поводу теплообменника можно почерпнуть здесь. Здесь будем обсуждать конструирование.

Сколько же стоит самопальный теплообменник? Я не рассматриваю приспособленные масляные радиаторы и прочие запасные части от автомобилей — это отдельная тема.

Посчитаем как говориться с нуля. Будем исходить из соображений что вода при скорости потока 1м/с способна к теплообмену на ровной поверхности на уровне 800 Дж на градус на кв.м. Много это или мало. Заметим, что увеличение скорости потока в два раза приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи также ориентировочно в два раза (до определенного предела). В свою очередь уменьшение потока до 0 м/с не приводит к нулевому результату. При нулевой скорости теплообмена вода способна к конвективному перемешиванию в зависимости от ориентации и формы теплообменника величина находится в интервале от 150 до 300 Дж на градус на кв.м. — своего рода пассивный теплообмен именуемый в народе «труба в бочке».

Итак народный кожухотруб — труба в трубе.

Если идти традиционно то есть взять трубку и поместить ее в трубу большего диаметра то получиться труба в трубе. По внутренней пускаем фреон по внешней воду просто и надежно.

Если взять медную трубку то получим стоимость от 6700 рублей до 16000 рублей в зависимости от диаметра медной трубки. Для примера 125 метров 6мм медной трубки однозначно работать не будет гидросопротивление убьет всю идею.

Но можно взять и сложить 8 трубок диаметром 6.35мм в косичку соединив их параллельно и поместив в трубу с внутренним диаметром 25 мм то получим вполне приличный девайс по цене 6700 рублей (цена 6.35 мм в Оренбурге 800 рублей за 15 метров) за медь плюс около 3000 рублей за внешнюю трубу и прочие фитинги. Итого есть возможность получить «хороший» теплообменник площадью 2.5 м2 за ориентировочно 10000 рублей, длиной 16 метров, который можно свернуть в кольцо диаметра 50 см.
Если взять 6 трубок диаметра 9.53мм получим стоимость больше, но общая длина станет равна 14 метров и внешняя труба понадобиться с внутренним диаметром 24мм. Зато меньше паять. Медную трубу (косичку) помещаем в металлопластик или стальную трубу и гнем в спираль диаметра 50 см. На конце нужно одеть тройники чтобы заглушить торцы толстой трубы. Возможны и другие варианты.

А можно дешевле? Можно только осторожно. Не стоит забывать, что фреоны в большинстве своем инертны к стали. Что это дает? Можно использовать в качестве дешевого теплообменника стальные трубы. Проблема в том что общераспространенные размеры имеют сравнительно большую толщину стенки и гнуть их не так просто как медь.
К примеру водогазопроводная труба 1/2″ так называемая ДУ15мм. имеет толщину стенки от 2.5мм до 2.8мм. Многовато конечно зато если труба гниет (разрушается коррозией) со скоростью 1мм за 10 лет, то гарантировано можно ожидать 20 летную долговечность, а при замкнутой системе отопления и более долговечный срок службы. Другая проблема сварка и вес. Но в принципе при умелом подходе вопрос решаемый.

Цена. Из таблицы видно, что цена 2.5 м2 теплообмена для стальных газоводопроводных труб лежит в интервале от 1900-2200 рублей за материал. По цене халява. А вот с загибом придется повозиться. Голыми руками согнуть ДУ15, а тем более ДУ25 трудновато. Есть два варианта один с использованием горячего метода изгиба и холодного с помощью трубогиба. Есть трубогиб гидравлический который гнет трубу в определенном месте, а есть роликовый который способен гнуть трубу буквально в спираль — что нам и нужно.

Вариант 1. Берем две трубы одну например ДУ15 вторую ДУ25 (или лучше ДУ32) длиной 38 метров каждая вставляем ДУ15 в ДУ32 и с помощью трубогиба завиваем в спираль как можно меньшего диаметра. Получим завитую в спираль трубу в трубе. Так как мы завиваем ДУ32, а у нее внутри ДУ15 то та тоже свернется. Далее на концы тройники и разводим трубы. Цена ДУ15 обойдется в 1900 рублей ДУ32 обойдется 112*38=4256 рублей итого около 6300 по материалу плюс нужно отдать за трубогиб — нужно уточнить сколько возьмут и могут ли 38 метров согнуть за раз или придется делить на куски.

Вариант 2. Берем трубу ДУ15 или ДУ20 с помощью роликового трубогиба сворачиваем в спираль. Далее берем стальной лист 2мм и изготавливаем для спирали чехол-кожух (своего рода бублик) это будет внешний контур для воды. Высота спирали при диаметре 50см составит около 60см.

Вариант 3. Вчера 09.11.2012г. переговоры по GEA из Латвии пришли к цене 40 тыс.рублей за испаритель и конденсатор с доставкой до г. Оренбург. Размышляя широко над ценой и имея необходимую сумму в кармане появилась идея. Теоретически можно взять два листа стали тощиной 1.5-2мм длиной 6м и шириной 25см. Складываем два листа вместе между листами прокладываем проволоку толщиной 2 мм — это образует канал теплообмена сечением 2мм*25мм. Привариваем края листов и сворачиваем в рулон диаметра 30см, также прокладывая проволоку 2мм. Вначале и конце рулона привариваем трубы для фреона, а торцы рулона глушим заглушкой с приваренной трубой для воды. Надо бы рисунок.

Вариант 4. Надо взять листовой металл толщиной 1мм-1.5мм и нарубить из него пластины 50см*15см. Из этого пакета можно собрать теплообменник. На этом варианте остановимся подробнее. Чтобы пластины разделить между собой и увеличить смешивание (кавитацию) жидкостей между листами проложим оцинкованную сетку. Цинк более активный метал чем сталь, поэтому он будет защищать сталь от коррозии (ценой своего разрушения) некоторое время.
Итак начнем рассуждения :). Надо взять стальной лист (есть в наличии куски листов от 1 мм до 2 мм). В идеале лучше взять нержавейку цена в 2.5 раза дороже зато гнить (корродировать) будет меньше, потому служить дольше. Но для первого ТН по моему сойдет, тем более что у меня есть листы черного металла. Осталось в магазине стройматериалов поискать сварную сетку (очень желательно оцинкованную) в качестве сепаратора между пластинами. с ячейкой как можно меньше, в идеале 1см на 1см и проволокой толщиной 2мм — 3мм. По различным данным нам нужно около 2 кв.м. теплообменной поверхности при пластинах 50см на 15см и количестве пластин 30 получим ориентировочную площадь 0,5*0,15*(30-2)=2,1 кв.м.

05.12.2012г. приобретен лист оцинкованный 1,25 * 2,5 м. толщиной 1,5 мм. Там же его нарубили на пластины 15см * 50 см. получилось 40 пластин. Стоимость около 2500 рублей (надо уточнить по документам), надо было взять два листа 2*1 м тогда вышло бы около 4 кв.м, а так вышло около 3 кв.м., наверно придется докупить один лист 2м * 1м (4*6=24 пластины или 13*2=26 пластин). Сначала попробую сварить там видно будет, может и не получиться как задумано.

Приобретена сетка оцинкованная сварная ячейка 25 мм *25 мм (Существует оцинкованная сетка с ячейкой 10мм на 10мм из проволоки 2мм) из проволоки 2мм общей площадью 5 кв.м. за 2800 рублей (500 руб за погонный метр наверняка с двойной наценкой :). Еле нашел, и то в хозмаге поселковом, на вопрос где обычно оцинкованную сетку используют, ответили что для разведения цыплят из нее строят курятники(клетки для перепелок и кроликов) — век живи век учись. Нужно найти оцинкованную проволоку диаметром 3-4мм. Не могу пока найти никто не знает где такая проволока продается. Нашел оцинкованные тяги от подвесных потолков, диаметр около 4-5 мм (стоят 21 рубль за 2м длины). Если не найду потоньше возьму их.

На рисунке оцинкованая пластина 15*50см толщиной 1.5мм, кусок сетки 25мм*25мм (проволока 2мм), два куска проволоки 3мм на ребра.

Почему оцинкованые детали? Цинк будет служить защитой от коррозии железа. Можно конечно попробовать покрыть железо например медью, но при малейших царапинах железо будет кородировать при контакте с медью. Цинк же наоборот будет кородировать вместо железа, защищая его таким образом. Сначала разрушиться цинковый слой, а затем уже начнет разрушаться железо, лет на 15 должно хватить теплообменника, а там видно будет.

Починить сварочный инвертор не получилось, драйвер ключей угробил еще 6 силовых транзисторов, наверно придется выкинуть. После 4 ремонтов уже трудно искать неполадки (тем более на этот раз вышла из строя система контроля перегрева транзисторов), да и отслужил он уже в принципе свое — 7 лет и 4 капитальных ремонта, не считая мелких. Либо новый купить, либо переменкой варить от трансформатора.

06.12.2012г. Нашел оцинкованную проволоку (проблема найти в Оренбурге) диаметром 3мм — длиной 100м за 1100 рублей. Переплатил подозреваю раза в два :).

Источник