Для эксперимента ТН был оснащен электрическим счетчиком, а также двумя термометрами на входе и на выходе обоих теплообменников низко- и высокопотенциальной воды, а также расходомерами. Все эти данные сливались в базу данных и потом экспортировались в Excel где и обрабатывались. Отдельный электрический счетчик также был установлен на скважинный насос. О подготовке к эксперименту читайте в статье:
Кроме того, в эксперименте участвовал ТН промышленного производства с которого также собирались данные. Обращаю внимание, что при работе на тепло у Lessar мощность 2,78 кВт, а у WP-036 – 12 кВт.
В результате работы с данными полученными в ходе сравнительных экспериментов, итоговые результаты обоих тепловых насосов практически идентичны.
(рис.1)
Подпись: Двухчасовая выборка
СТН – самодельный тепловой насос.
COP ТН – коэффициент преобразования Теплового Насоса.
COP ТН – коэффициент преобразования Теплового Насоса + Скважинного Насоса.
Учитывая, что данные основаны на двухчасовой выборке, реальная тепловая мощность составляет 3,0 и 3,26 кВт.час.
Рассмотрим, можно ли улучшить СОР.
Теплообменники рассчитываются таким образом, что испарение и конденсация происходят в температурном диапазоне 5°С.
Исходя из реальных данных, рассматриваемый температурный диапазон может быть 8,4÷3.4°С. С учетом расхода воды, это 10,47 кВт.час тепловой энергии (по холоду), откуда следует, что утилизация тепла менее 50% и установив автоматику на подачу низкопотенциальной воды, можно значительно улучшить коэффициент преобразования.
(рис.2)
Теперь предлагаю рассмотреть работу ТН на основе графиков.
На данных графиках представлен результат работы двух тепловых насосов (первая половина графика – работа WP-036, вторая половина графика - СТН).
Внизу, для идентичности масштаба, указано время работы в минутах.
На графике, мы видим, что тепловые насосы работают циклично. Моментом отключения является верхняя граница температуры равная 40°С. Однако из-за инерционности процессов, температура несколько превышает температуру уставки. Можно обратить внимание на то, что чем мощнее ТН, тем больше инерционность.
Рассмотрим работу СНТ. Температура подачи и обратки следуют практически параллельно. Здесь видно, что, во-первых, разница между подачей и обраткой меньше 5°С в два раза, что может не позволять полностью конденсироваться фреону.
Рассмотрим этот процесс, т.е. процесс конденсации. Температура конденсации tк определяется по температурной шкале манометра, измеряющего давление в конденсаторе. Такие измерения не проводились, поэтому фактическая температура конденсации неизвестна. Однако основываясь на знании того, что СНТ на базе бытового кондиционера LESSAR LU-H09KIA2 рассчитывался на конденсацию при t° окружающего воздуха 35°С, и на основании того, что температурный перепад у воздушных теплообменников должен быть 6÷9°С*, можно сказать, что to° должна быть 41÷44°С. Т.к. у нас теплообменник водяной, то разница между температурой конденсации и температурой охлаждающей воды может быть 4÷6°С*. Т.о. температура воды должна быть в пределах 39÷41°С.
Максимальная температура воды в отопительном контуре поддерживалась на таком уровне. Установленный датчик отключал установку ТН при достижении температуры 40°С.
Однако, фактическая разница температур между подачей и обраткой для обоих тепловых насосов на горячей стороне составляет 2,5÷3,0°С, что говорит о недостаточном теплосъеме. Действительно, изначально система отопления была рассчитана на температуру отопительной воды 80°С (рекомендуемый предел для металло-пластиковых труб). При температуре в помещении склада +15°С тепловой напор обеспечивал достаточный съем тепла. При температурном напоре в два раза меньше, имеющееся количество батарей не обеспечивает достаточный теплосъем.
Необходимо в разы увеличить площадь теплосъема с целью компенсации уменьшения теплового напора. Результатом должна быть разница между подачей и обраткой 5°С, что можно обеспечить в автоматическом режиме скоростью циркуляции воды в системе отопления, при этом, конечно, площадь излучения должна еще больше увеличиться.
В процессе эксплуатации может наступить период, когда не будет требоваться полная мощность теплового насоса. И если это не инверторный компрессор, то в этом случае необходимо иметь бак аккумулятор тепла. Согласно методике расчета, его минимальный объем равен 25 литров на 1 кВт мощности. Таким образом, для ТН 12кВт, требуется бак на 300 литров (минимальный объем).
Таким образом возникают два контура связанные баком тепло-аккумулятором. ТН и бак-теплоаккумулятор и бак-теплоаккумулятор и контур системы отопления. Без трехходового автоматического крана температура в система отопления будет флуктуировать в пределах уставок включения-выключения ТН. Рекомендованный диапазон 5°С. Наличие трехходового крана, предполагает, что температура в система отопления будет находиться (максимально) на уровне температуры отключения компрессора ТН, что в свою очередь говорит о еще большем уменьшении теплового напора, о необходимости увеличения площади теплосъема, об увеличении количества батарей в помещении.
График работы WP-036 демонстрирует хорошую разницу температур обусловленную наличием ТРВ, но отсутствие достаточного теплосъема в системе отопления и бака-теплоаккумулятора ведет к неправильному графику работы. Кривая на подаче гораздо круче уходит вверх по сравнения с кривой обратки. Компрессор работает в стар-стопном режиме, что конечно не идет ему на пользу.
На графике видно, что и у того и другого ТН компрессор отключается на 5 минут, - время необходимое для выравнивания давления на высокой и низкой стороне.
Температура кипения.
В данном процессе наблюдаются значительно большие расхождения между двумя ТН. Дело в том, что в системах кондиционирования воздуха, тепловой напор принимается значительно выше и экономически оправданными они могут быть и при значениях 12-20, что означает, что температура кипения в испарителе кондиционера может быть -6°С, что дает снижение температуры проходящего через испаритель воздуха на 7-10 градусов.
Некоторые обращали внимание на то, что воздушный испаритель может обмерзать неравномерно. Это может происходить в связи с неравномерно распределенными воздушными потоками. Что же касается воды как источника низкопотенциальной энергии, то здесь все очень сложно. Вообще, теплообменник фреон-вода одна из самых дорогих деталей. Из-за неправильности конструкции, возможен застой воды и локальное ее замерзание, которое в свою очередь может провоцировать изменение потоков во всем теплообменнике. Процесс замерзания может стать лавинообразным. После того как теплообменник замерз и его не разорвало, его очень трудно оттаять, т.к. невозможна циркуляция воды. Если это теплообменник труба в трубе, то в полость, где течет вода, устанавливается греющий кабель, который рекомендовано всегда держать включенным на минимальный режим нагрева. И это дополнительный расход электроэнергии влияющий на общий коэффициент преобразования (СОР).
(рис.3)
На следующем графике показаны разница между температурами подачи о обратки на горячей стороне (красный график). И разница между температурами подачи и обратки на холодной стороне (синий график).
Графики даны для обоих ТН.
(рис.4)
На красном графике для СТН видно, что разница температур держится на отметке 2,8°С, что как отмечалось раньше, может быть недостаточно для полной конденсации.
Синий график показывает, что порой температура на выходе холодного теплообменника бывает выше чем на входе. Можно сделать вывод, что теплоизоляция теплообменника настолько плоха, что даже при таких больших расходах воды, она может нагреваться выше температуры воды из скважины.
При этом, глядя на конструкцию, видно, что теплообменник СТН значительно длиннее теплообменника WP-036, хотя он также коаксиальный.
Графики WP-036 показывают, что ТН все время работает в переходном режиме, что, как уже отмечалось ранее, снижает производительность ТН и ведет к его преждевременному износу.
Общие замечания и выводы, а также о том как и за счет чего можно улучшить СОР самодельного ТН читайте в следующей статье.
