Подбор компрессора

Начнем с подбора компрессора.
Хотя это самая важная часть, практически сердце системы, которое перекачивает поглощенное хладагентом тепло от одной среды к другой, но для теплового насоса в большинстве случаев подойдет практически от любой холодильной машины, кроме тех моделей, где двигатель снаружи..

Самая главная характеристика компрессора – объемная производительность в м3/час. Такой объем газообразного хладагента он может перекачать в единицу времени. Масса этого хладагента зависит от плотности паров, которая в свою очередь зависит от режима работы холодильной машины.
Чем ниже температура кипения в испарителе, тем жиже получаются пары.
Перекачиваемый объем остается тот же, масса уменьшается.
Для удобства сразу переводят объемный расход м3/час в массовый расход кг/час, учитывая плотность.
Каждый килограмм хладагента может принять определенное количество теплоты. Например, R22, один из самых эффективных, всего-то чуть больше
200 кДж на килограмм ( 0,055 kwh ) при температуре кипения около 0 по Цельсию.
Отсюда делаем необходимые выводы:
- количество тепла, которое может отобрать испаритель, ограничено массовым количеством хладагента, прокачиваемого компрессором.
Значит, объемная производительность компрессора и температура кипения имеют решающее значение при определении количества тепла, которое можно отнять у окружающей среды.
Кроме того, температура кипения должна быть меньше температуры источника тепла.

Исходя из этих двух параметров начинают подбор компрессора.
Еще необходимо учитывать, что при повышении отношений давлений на высокой и низкой стороне ( при повышении температуры конденсации), из-за конструктивных особенностей у разных типов компрессоров по разному, но несколько падает объемная производительность (перетоки, мертвый объем и т.п.)

Не надо заглядываться на всякие дорогие последние модели.
Да, компрессоры бывают разные, большие и маленькие, голубенькие и черненькие, дорогущие и не очень, от известных брендов и так себе. Все это влияет на их цену.
Для коммерческого холода ценообразование происходит не совсем так, как для бытовой
техники. Если вы купили дешевый и плохой телевизор и он благополучно издох, крупного материального ущерба (больше его стоимости) не получите, кроме разве что морального.
И хотя свой моральный ущерб мы оцениваем высоко, суды считают иначе.
Если помрет холодильное оборудование по вине его производителя, скажем в крупном хранилище продукции, то убытки, недополученную прибыль, вынужденный простой и стоимость ремонта со всеми издержками можно взыскать с виновного.
С кого легче будет взыскать? Естественно с известного бренда. Он же в свою очередь постарается избежать подобных неприятностей, делая оборудование надежнее и четко прописывая условия эксплуатации.
Кондиционер при выходе из строя принесет намного меньший ущерб, чем холодильная камера. Скорее всего только моральный.
В себестоимость низкотемпературного коммерческого оборудования производителю приходится закладывать повышенную вероятность исковых выплат.
Понятно что у нас что либо отсудить у производителя почти невозможно из-за цепочки посредников, а покупаем то мы по тем ценам, да плюс акциз, таможня, доставка.

Из-за более жестких режимов работы прочность и надежность само собой требуют дополнительных расходов. Но не в несколько же раз?
Крупные производители разнообразного барахла могут перераспределять убытки
на другие сегменты своей деятельности. Но если производите что либо одно,
то надо или хорошо или никак.

Покупатели коммерческой техники в отличии от обычного бытового потребителя при выборе отдадут предпочтение более надежной, хотя и более дорогостоящей.
При коммерческом использовании все дополнительные издержки все равно относят на себестоимость, то есть за счет потребителя конечной продукции.
А при возможном сроке службы этого оборудования выше запланированного можно даже получить дополнительную прибыль.

Если не желаете спонсировать эту статью расходов производителей,
то по возможности надо выбирать недорогие, проверенные временем модели.
Все новомодные штучки не для бюджетного самодельного ТН.
Если денег не жалко, то поэкспериментировать можно. Но это уже ради интереса.

Хладагенты

Напрямую связать объемную производительность компрессора и мощность, которую можно получить от ТН все же не получится. Виноват посредник в теплообмене между испарителем и конденсатором - хладагент.
Разные хладагенты имеют разную теплоту испарения, разные давления при
одинаковой температуре кипения, разную вязкость, которая влияет на теплоотдачу и на энергозатраты по перекачке. Для определённых диапазонов температур удобно применять одни хладагенты, для других иные.
Кроме того, случается, что и интересы транснациональных химических корпораций надо учесть, которые выпускают на рынок сбыта новые хладоны.
Далеко не факт, что экологичнее старых. Но уж дороже точно.
Тогда идут в ход кампании по защите озоновых дыр, влияние хладонов на которые, после прошествии десятков лет, так и осталось под сомнением…
К счастью для нас, или к несчастью, но в ТН можно использовать далеко не все хладагенты.

Практически любое вещество можно использовать в качестве теплоносителя, даже жидкий металл. Например, отлично зарекомендовал себя в некоторых установках расплавленный натрий. Нам же надо что-то попроще.

Вода (R718) очень эффективный хладон, теплота испарения 2250 кДж/кг,
можно получить прирост СОР на 20-30%, но установка должна работать
под вакуумом и нельзя использовать отрицательные температуры кипения.

Аммиак (R717), 1370 кДж/кг, эффективен, но жутко вонючий, при утечке
все мыши из дома сбегут, для теплообменников нельзя медь, не растворяется
в масле. Для использования в быту все же неудобен.

R12 – удобный, эффективный, безвредный в быту, нетоксичный, негорючий, не вызывающий коррозию, дешевый в производстве. Но запрещенный..

Небольшая выдержка из статьи про DuPont:

Довольно долго фреон производила только DuPont, но в конце концов право выпускать его получили и другие. С появлением конкуренции рынок насытился, спрос упал, а вместе с ним упали и доходы DuPont. Решением проблемы мог стать переход на новые запатентованные концерном газы, каковыми стали Suva (R134a) для холодильников и кондиционеров и пропеллент Dymel для аэрозолей. Правда, у них были недостатки по сравнению с фреоном - они были в несколько раз дороже и при этом хуже. Как следствие, покупать их не особенно хотели.
И вот тут вдруг неожиданно выяснилось, что фреон страшно вреден для окружающей среды.
Были опубликованы исследования американских учёных, что именно этот газ виновен в возникновении обнаруженной в 1957 году озоновой дыры. Потребительские организации начали призывать обывателей бойкотировать аэрозольные дезодоранты, «зеленые» пикетировали химкомбинаты, государства подписывали пакты о снижении применения фреоносодержащих веществ. В 1985 году была подписана Венская конвенция об охране озонового слоя, спустя два года - Монреальский протокол об озоноразрушающих веществах. В 1990 году в отношении фреона было введено полное торговое эмбарго.
Но инициатором создания Монреальского протокола была компания DuPont. В результате его действия фирма:
а) мигом обанкротила огромное количество мелких конкурентов, занимавшихся производством фреона;
б) наладила сбыт более дорогой и более прибыльной продукции;
в) заставила весь мир менять холодильники и кондиционеры, утилизируя фреоновые и покупая «экологически чистые».

Какие же хладагенты мы имеем для использования в тепловых насосах ?

R134a (Suva от DuPont) Хуже по характеристикам, чем R12, дороже, применяется только с синтетическим маслом. Используется в автомобильных кондиционерах.

R22 – отличный, недорогой в производстве, хладон для кондиционеров и холодильного оборудования, и хотя для озона менее вреден, зато по мнению экологов сильно влияет на парниковый эффект. Постепенно должен быть запрещен везде.
В Евросоюзе применять нельзя уже с 2010 года.

R407с – озонобезопасный заменитель R22, состоит из смеси, один из компонентов которой, вышеупомянутый R134 от DuPont (52%), R125 (25%) и R32 (23%). Дорогой естественно.
Теперь становится понятно, почему запрещают R22.
Используется только с синтетическими маслами, имеет температурный глайд 5 градусов.
Самая большая неприятность для потребителя, это неравномерная потеря компонентов смеси при утечке, что ведет к необходимости полной перезаправки системы.
Зато радость для производителя.

R410a - запатентованный озонобезопасный продукт компании Honeywell, смесь R125 (50%) и R32 (50%). Не из дешевых. Лицензия все-ж.
Используется только с синтетичеким маслом.
Часто в рекламе пишут, что по термодинамическим характеристикам лучше чем R22 или R407c на 50%. Так то оно так, но что это приносит нам, потребителям?
Пусть для той же холодопроизводительности нужно перекачивать на 50% меньше хладона.
Зато в результате возросших давлений увеличились затраты на перекачку.
В результате СОР почти не вырос, ну может быть чуть-чуть, зато производитель может уменьшить размеры компрессора. Цену при этом почему-то увеличивая.
Кроме того, прочнее должны быть теплообменники, ну и дороже естественно.
Все для потребителя…
И хотя при небольшой утечке можно дозаправить жидкой фазой, первоначальных характеристик это не гарантирует. При большой утечке надо перезаправлять полностью.

Есть ещё несколько, но хороших хладагентов, на смену запрещенным, в результате так и нет!
Тем более и эти имеют приличный GWP, более 1500, по парниковому эффекту и скорее всего в ближайшем будущем тоже попадут под эмбарго.
Недаром ведущие производители начали использовать R744 (СО2), да R290 (пропан).
Промышленные стали поглядывать в сторону аммиака.

Для самодельного теплового насоса использовать СО2 пока вряд ли оправдано, R290 можно, если осторожно.
Но лучше R22 для самодельного теплового насоса пока нет. До 2030 года уж точно.
Не радует только рост его стоимости.
Лет пять назад R22 стоил по 500 руб за 13 кг, R12 уже тогда был 3000 руб.
Сегодня за 5000р. Но ведь и R407с не дешевле, при всех его минусах.

Компрессор для холодильной машины.

Что такое компрессор для холодильной машины?
Не нужно приписывать ему каких либо мифических способностей.
Это всего лишь насос для перекачки газа из одного места в другое.
Устроен он примитивно, поршень, цилиндр, клапан на входе, клапан
на выходе.
В точности как велосипедный насос, не сложнее.
Другое дело, что прочность, материалы, точность и аккуратность изготовления
должны быть на высоте, чтобы проработал долго, ведь в отличии от
велосипедного насоса он совершает несколько десятков качков в секунду
(чаще всего от 25 до 60) и должен работать годами.
Но к самому принципу работы это отношение не имеет.
Кроме поршневых, существуют ротационные, винтовые, спиральные, да много
других. Там уже другие принципы работы, но задача остается та же.
Обычный поршневой компрессор не уступает по эффективности другим, а где-то даже превосходит.
В зависимости от условий работы и объемов перекачиваемых газов просто удобнее применять устройства разных конструкций.
Сколько хладагента, с запасенной в себе теплотой при кипении, компрессор перекачает, такова и будет считаться его производительность по холоду.
Для разных температур кипения, конденсации и разных используемых хладонов холодопроизводительность компрессора естественно будет разная.
Если перекачиваемый в единицу времени компрессором объем постоянен, то плотность паров хладагента с понижением температуры снижается, снижается и общая масса.
Количество паров, которые могут дать хладагенты при кипении различно и по объему и по массе. И теплота парообразования отличается.
Один м3 паров R410 может нести в себе в 1,5 раза больше теплоты, чем такой же объем R22 и в 2 раза больше чем R134a.
Но из-за большей плотности и отношения давлений, что ведёт к повышению потребляемой мощности для перекачки этого м3 газа, эффект не такой впечатляющий.
СОР, при одинаковых температурах кипения и конденсации, при использовании R410 будет больше всего на 2-4% относительно R22 и на
10-15% относительно R134. А вот размеры компрессора можно уменьшить в 1,5 раза.
В чиллере на 500 кВт вместо 3 компрессоров можно поставить 2, а продать дороже.

Теперь можно сформулировать первую подсказку для самостоятельного расчета теплового насоса. Подбор компрессора. При использовании в тепловых насосах с рабочей точкой от -10/+55 до 0/+40,
СОР соответственно от 2 до 4,5, каждый м3/час объемной производительности компрессора позволит получить мощность в конденсаторе:

для R134a 0,5-0,7 kw
для R22 , R407c, R417 , R422d 0,8-1,1 kw
для R410a 1,2-1,6 kw

Пример: рабочая точка -10/+55
для теплового насоса на R407c с необходимой мощностью по теплу 10 kw , необходимо использовать компрессор с производительностью 13 м3/час
Для R134, чтобы получить ту же мощность надо иметь больше компрессор,
с производительностью 20 м3/час,
для R410 будет достаточно 8 м3/час.

Не стоит усложнять и разделять мощности по холоду и теплу.
Эти соотношения уже учитывают потребляемую от сети мощность компрессора, которая тоже выделяется в конденсаторе в виде тепла.
Чтобы ТН мог работать с запланированной Вами мощностью, не только при кипении 0, но и при -10, если система скажем гликолевая, надо использовать меньшие цифры из приведенных выше показателей мощности на каждый м3/час производительности компрессора.
По воздушникам ещё грустнее.
Если планируется работа при окружающей температуре до -20, надо учитывать, что
температура кипения в испарителе будет ещё ниже, градусов на 7-10 .
При меньших перепадах температуры будут просто неразумными размеры и стоимость воздушного испарителя или скорость воздуха в нем и шум от пропеллеров.
При кипении под -30 плотность паров ещё меньше и можете себе представит каких размеров компрессор понадобится, скажем для R134.
При таких температурах кипения применяют уже другие хладоны.
Но и R22, R407с, R417, R422 тоже не выход.
В Октопусе например применяют R290 (пропан).
В Зубадане, чтобы уменьшить размеры и вес внешнего блока использует высокую холодопроизводительность R410а, хотя такая температура кипения для него тоже почти на пределе.
Тогда уж R404 или R507 ( в составе этого хоть R134 нет ).
Но опять размеры, да и хочется универсальности, Зубадан всё же сначала кондиционер, а потом уже тепловой насос для обогрева.
Давление R410 при температуре конденсации +50 уже зашкаливает.
На пределе и режим работы обычного компрессора.
Для безотказной работы нужно применять более эффективные способы охлаждения, чем просто парами хладона, да и температуру нагнетения надо бы снизить.

Поэтому перед тем, как перейти к теплообменникам, хотелось бы ещё совсем чуть-чуть о холодильных компрессорах.

И о некоторых технических примочках.
Повторюсь, компрессор - несложный механизм, хорошо отработанное устройство поршневого, к примеру, проще швейной машинки.
Параметры уже и так близки к максимально достижимым.
Усложнение конструкции на увеличение СОР повлиять почти никак не может.
Только если на уменьшение, например, при нерациональном использовании механического привода и снижением КПД, применяя, скажем ременную передачу.
Или работа электромотора на частичных нагрузках, что снижает cosφ, больше энергии уйдет на нагрев обмоток, в конечном итоге это тепло конечно никуда не пропадет, но СОР будет меньше.
Объемную производительность поршневого можно вычислить самому просто умножив площадь цилиндров на ход поршня и количество этих ходов в час.

Это так называемый описываемый поршнем объем. В реальности перекачиваемый объем меньше из-за потерь при сжатии и чем больше отношение давлений выход/вход, тем меньше будет производительность относительно максимально возможной, то есть относительно описываемого объема.
Это жидкости не сжимаются, а газы ведут себя в этом смысле просто безобразно , но зато собственно и стал возможен термодинамический цикл.
У ротационных, спиральных, винтовых, турбо и прочих, перемножением трёх чисел в уме вычислить даже теоретическую производительность никак не получится.
На неё влияют уже слишком много факторов.
Поэтому надо принимать заявленные производителем характеристики на веру, а ведь потери сжатия присутствуют тоже и далеко не малые.
В отличие от поршневых, у некоторых типов при снижении оборотов в 2 раза от номинальной, производительность упадет в несколько раз. Для плавной регулировки производительности это может быть удобно. А при повышении оборотов в 2 раза от номинальной производительность в 2 раза увеличиться не сможет. Это уже не совсем удобно.
Для снижения потерь сжатия, особенно при больших перепадах давлений, придумано несколько способов.
Один из них это подача жидкого или парообразного хладагента в середину
цикла сжатия, например так делают у некоторых спиральных или у винтовых.
То есть впрыскивают через специальный жиклёр в необходимой дозировке прямо в середину рабочей зоны винтов или спиралей.
Жидкий конечно эффективнее, но и опасней, можно ливануть лишнего.
Поэтому используют его при наибольших отношениях давлений, когда эффективность парообразного для охлаждения уже недостаточна.
Впрыскивая туда-сюда, в результате этим охлаждая газ и снижая давление нагнетания, соответственно уменьшаются потери сжатия. Улучшается производительность.
Также этим можно несколько расширить температурный диапазон работы компрессора, не боясь его преждевременной смерти от перегрева.
Объемную производительность выше описываемого объема рабочими поверхностями компрессора это увеличить все равно не сможет. Снижаться могут только потери сжатия.
В поршневых подобные экономайзеры применяются для промежуточного охлаждения газа при последовательном включении цилиндров.
Теоретически можно впрыскивать и прямо в цилиндр, но так как желательно в середину цикла сжатия, а не в начало или конец, то в отличии от винта или спирали это технически сложней организовать, потребуется импульсное регулирование подачи и прочее.

Теплообменники

При самостоятельном изготовлении теплового насоса часто встает вопрос "как сделать теплообменник". Желание сделать самодельный теплообменник понятно - промышленные изделия достаточно дороги и труднодоставаемы. Постараемся помочь самоделкиным :)

Для пластинчатых теплообменников, с их очень высокой эффективностью вопрос по занижению
площади теплообмена остро не стоит. На один м2 площади теплообмена
они легко выдают 5 kW мощности при дельте t один градус.
То есть при дельте 5 градусов 1 м2 выдаст 25 kW. Но такую дельту
получить сложно из-за скорости и небольшой длины каналов в коротких ПТО.
Для большей дельты надо выбирать более длинные ПТО
Это для вода/вода и расходе воды через него 5м/сек.
При дальнейшем увеличении скорости сред гидравлические потери даже для пластинчатого будут расти, кроме того прирост теплоотдачи
незначителен. Кроме того, хотя теплоотдача велика, большей мощности
не получить, не будет расти дельта.

Для теплообменника "труба в трубе" таких показателей достичь сложнее.
При скорости омывания 5 м/сек теплоотдача может быть почти такой же,
5 kW на м2 на град. Но гидропотери не позволят нормально эксплуатировать такой теплообменник, поэтому он должен быть коротеньким.
Мощность одного будет маленькая, надо будет параллельно сотню-другую.
Спаяли в пакет - вот и получился почти пластинчатый, но дороже.
И эффективность все же меньше-нет извилистых каналов как в пластинчатом.
Поэтому для трубы в трубе оптимальный параметр цена/эффективность
достигается при 0,8 kw м2 град при скорости воды 1м/сек.
При 1,5м/сек и 5 град дельты получаем 5 kW на метр площади при ещё терпимых гидропотерях.
Дальнейшая интенсификация повышением скорости считается неоправданной.

В теплонасосном оборудовании для отопления дома используется довольно
узкий диапазон температур при теплообмене.
Кипение в испарителе от -20 до +10 и конденсация от + 35 до + 65.
И там и там диапазон по 30 град. Давления от 2 до 20.
Одна среда - вода или разбавленный гликоль, другая - фреон.
Хотя кипение и конденсация происходят по разному и теплоотдача от пара
намного отличается от жидкости, общие усредненные коэффициенты теплоотдачи по всей длине теплообменника в нашем диапазоне примерно похожи. Ну может туда-сюда 20-30%.
В испарителе сначала жидкость, затем выкипающая парожидкостная смесь и в конце перегрев пара.
В конденсаторе все наоборот, снятие перегрева пара, затем насыщение парожидкостной смеси, в конце переохлаждение жидкости.
Если использовать отдельные переохладители, предконденсаторы, регенераторы, экономайзеры тогда считать надо по каждой фазе отдельно.
Выбор фреонов для тепловых насосов невелик, гликоль надо использовать по возможности
максимально разбавленный водой. И дешевле и теплоотдача лучше.
Жидкостные теплообменники в нашем случае могут быть пластинчатые, труба в трубе и разнообразные змеевики в кожухе.
Теплоотдача от воды и от фреона отличаются, но с оребрением заморачиваться не будем.
Применение гликоля ещё сильнее снижают разницу в теплоотдачах.
Теплоотдача от парожидкостной смеси фреона и от воздуха отличаются раз в 30-50 ( зависит от % соотношения пар/жидкость)
Поэтому для воздушных обязательно применяется оребренная труба различных профилей с коэффициентом оребрения со стороны воздуха никак не менее 40.
Вот при таких условиях нам достаточно знать коэффициенты теплообмена.
Иначе изучение может затянуться.

А если теплообменник внутреннего блока поместить в трубу и создать там поток воды по спирали для увеличения скорости потока? Использовать то эту конструкцию конечно можно. Целесообразность под вопросом.
Разве только если других нет, а эти девать некуда, тогда да.
Специально приобретать не стоит.
Наружное оребрение трубы сделано для того, чтобы компенсировать разницу в коэффициентах теплоотдачи воздуха снаружи и фреона внутри.
Разница может достигать 50 раз, в зависимости от скорости воздуха.
Вязкость воздуха и другие свойства намного отличаются от жидкости
в которую помещают теплообменник.
В случае с оребренной трубой создать турбулентный поток жидкости в непосредственной близости от трубы сложнее. Из-за большей вязкости будут застойные зоны, мешающие интенсификации теплообмена путем перемешивания (турбулизации) потока.
Теплообмен в таких местах будет идти только посредством теплопроводности.
Теплопроводность воды низкая 0,58, у гликолей ещё меньше, без конвекции
никуда не годится по сравнению с алюминием (200) или медью (400) из
которых делают трубы и оребрение.
У воздуха вообще 0,02 зато вязкость маленькая.
В этом случае можно применять очень густое оребрение, с высотой ребер в 10-20 раз больше толщины. Толщина при этом 0,2-0,5 мм. Расстояние между ними ограничивается условиями образования инея.
Теплоотдача у жидкостей намного лучше, поэтому длина ребра возможна всего раза в 2-4 больше толщины, в зависимости от теплопроводности материала из которого его изготовили, да и профиль желательно треугольного сечения. Вязкость не позволяет располагать слишком часто.
Длиннее делать бессмысленно, температура ребра по мере удаления от трубы снижается из-за ограниченной теплопроводности применяемого материала.

Поэтому в самодельных теплообменниках из обычной трубы можно получить лучшие результаты на воде, просто увеличивая скорость. Помогут эффективности короткие, толстые и редкие треугольные ребра.
Для воздуха длинные, тонкие и частые.
Ну и направление протока вдоль оребрения трубы желателен.

Мощность

Рассмотрим тепловой насос работающий в 2 крайних режимах. Пусть надо 10 kW тепла.

1 случай - февраль, подачу в радиаторы надо 45-48, грунт вокруг коллектора уже остыл до 0, где-то даже подмерз. Рассол в районе -3 / -6.
Фреон возьмём R22, чтобы пока не путаться с глайдом.
Обычный ТРВ обеспечивающий перегрев после испарителя 6-9 град.
После конденсатора обычное переохлаждение 5-7 градусов.
Режим нужен -10/+55. Для того чтобы получить 10 kW тепла подойдет компрессор с объемной производительностью 13 м3/час. СОР будет примерно 2,4. (10 / 4,1)
Потерями во всевозможных трубах пока пренебрегаем, накинем всего 0,1 kW для порядка.
Также не будем пока морочить себе голову изоэнтропическим сжатием.
Плотность пара при -10 15,3 кг/м3. При отношении давлений 6,3 ( 22 бар / 3,5 бар) велики потери на нагнетании и спиральный компрессор вместо
13 м3/час * 15,3 кг/м3 = 200 кг/час осилит максимум 75 % - 150кг.

Компрессор потребляет 4,1 kW на откачку 150 кг/час и сжатие,
испаритель должен внести свою долю - 6 kW.
Вода при -10 замерзнет, поэтому в трубах рассол, но для удобства сравнения расчет произведём используя теплоемкость воды.
Чтобы получить 6 kW через испаритель надо прокачивать 5,1 м3/час воды, охлаждая её на 1 градус, или 1,7 м3/час отнимая 3 градуса.

2 случай – пока ещё самое начало зимы, земля +7, подача в теплый пол +35.
Надо получить те же 10kW.
Подойдёт режим 0/+40. Достаточно компрессора с объемной производительностью 9 м3/час. СОР будет 4,7 (10 / 2,1)Отношение давлений 15бар / 5бар = 3.
Самое оптимальное для спиральника. Плотность пара при 0 град 21,2кг/м3
Потери сжатия небольшие (10-15%) и при таких условиях меньший компрессор откачивает уже более 170 кг/час фреона, а потребляет всего 2,1 kW. Конденсатор дает 10 kW, испаритель должен дать 8 kW.
Для этого потребуется прокачивать 6,9 м3/час воды при дельте 1 градус или
2,3 м3/час при 3 град.

При одинаковой мощности по теплу получаются разные тепловые насосы,
с разной производительностью компрессоров ( в 1,45 раза), кроме того
в 1 случае простой спиральник будет работать на границе своего диапазона,
разной мощностью теплообменников-испарителей (1,35 раза),
с разными расходами теплоносителей.
Конечно неплохо для каждого случая применять свою конструкцию теплового насоса.
Но учитывая, что условия и для 1, и для 2 случая могут случиться в одном месте, надо выбирать более мощный вариант для запаса.
Обратите внимание, что хотя в первом случае нужен мощнее компрессор, во втором больше мощности должен дать испаритель.
В итоге получается компрессор не слабее чем в первом случае, испаритель не меньше чем во втором. Минусы унификации – рассогласование узлов почти в 2 раза (грубо 1,45*1,35), с одновременным удорожанием конструкции.
Поэтому сложно точно ответить какой теплообменник нужен?
В каждом случае – свой.
Занижать никак нельзя, из за этого основная масса неудач, остается только переразмеривать, но в разумных пределах.

Усложнение конструкции

Бытовые тепловые насосы несмотря на высокую стоимость, которая складывается совсем по другим причинам, имеют простую конструкцию.
Простота - залог того, что устройство проработает без квалифицированного обслуживания многие годы. Вспомните свой старый домашний холодильник с капилляркой. Чаще всего выходила из строя лампочка или её выключатель. По мере того, как туда стали добавлять всякие штучки – оттайку, тэны, вентиляторы, подогревы проема, раздельное регулирование зон, второй компрессор, водоохладители, выход в интернет наконец и контроллер всем этим управляющий, о былой неубиваемости пришлось забыть.
То же можно сказать о ТН: по мере усложнения снижается надежность.
Если без контроллера уже не обойтись, то и дополнительные возможности управления, индикации, дистанционного мониторинга надежность самого контроллера вряд ли уменьшат.
А вот усложнение технической конструкции производители делают очень неохотно.
Решения которые применяется сплошь и рядом в промышленном или коммерческом холоде, в бытовом ТН встретишь редко.
Дополнительное усложнение снижает надёжность, при этом требует дополнительного обслуживания и контроля.
Тот кто себе самостоятельно делает ТН наверно должен сам его в дальнейшем и обслуживать.
Плохо сделает – больше возни в будущем.
Любители самого процесса могут взять некоторые штучки из промхолода.
Когда мощности измеряются тысячами киловатт (то есть мегаваттами)
каждый лишний процент эффективности может вылиться в приличные
деньги. А разбрасываться туда сюда по 30% ( как я делал выше для упрощения расчётов) точно никто не позволит.

Размеры теплообменников

Чтобы определить размеры теплообменников нужно ввести данные о
температурах, расходах, теплоносителях в любую программу
подбора от Альфа Лаваль, Свеп, Данфос и т. д.
Получите на выходе рекомендуемый.
Позже попробуем рассчитать вручную и не только ПТО.
А пока обратите внимание на массовый расход фреона:
1 случай - 150 кг/час t кипения -10 испаритель даёт 6 kW
2 случай - 170 кг/час t кипения 0 испаритель даёт 8 kW
Вроде все логично. Но надо проверить. Смотрим характеристики R22.
При -10 удельная теплота парообразования 213,13 кДж/кг
Умножаем на 150 кг, делим на 3600 получаем 8,88 kWh
При 0 205,36 * 170 / 3600 получаем 9,7 kWh

А куда делись 8,88-6 = 2,88 kWh в первом случае,
и 9,7-8 = 1,7 kWh во втором?
Ведь в испарителе фреон испарился - тепло отобрал,
в конденсаторе сконденсировался-отдал.
Считаем по конденсатору:
теплота выделяемая при конденсации + 55 148 кДж*150/3600 = 6 kWh
при конденсации +40 167кДж*170/3600 = 8 kWh
Вроде сходится.
В первом случае компрессор добавил 4 kW при сжатии - получилось 10.
Во втором случае компрессор добавил 2 kW при сжатии получилось тоже 10.
Смотрим что творится дальше после конденсатора.
Вроде все хорошо.
Переохлаждение обычное 5-7 градусов, больше чем достаточное для стабильной работы без всякого преждевременного вскипания, жидкий фреон заполняет небольшую часть конденсатора не мешая конденсации.
Но температура входящего в ТРВ жидкого фреона на 60 градусов превышает температуру кипения в первом случае и на 35 градусов во втором.
Уже вылетая из сопла ТРВ, фреон вскипает охлаждая сам себя.
При -10 теплота парообразования 213,13 кДж/кг, а жидкость имеет избыточную энтальпию 263,43-188,40=75 кДж/кг
35% фреона по массе должны превратиться в пар еще не коснувшись стенок испарителя и откачаться компрессором. Вот они наши 2,88 kW из 8,88.
Остальные 65% участвуют в полезной работе, кипя и охлаждая рассол.
Пар сразу занимает приличную часть объема испарителя, мешая теплообмену.
По мере выкипания по ходу парожидкостной смеси соотношение увеличивается, на выходе испарителя должен остаться только перегретый на 7-9 градусов пар, за этим следит ТРВ.
Получается совсем отвратительная ситуация если испаритель рассчитан исходя из теплоотдачи жидкого фреона. Когда там львиную долю поверхности омывает пар - о какой расчетной теплоотдаче можно говорить.
И компрессор совершенно бесполезно перекачивает раз за разом этот лишний объем в 3,43 м3/час ( 150 кг*0,35 / 15,304 кг/м3) потребляя энергию между прочим.

Выход сразу напрашивается такой:
Надо всего лишь снизить температуру жидкости на входе в ТРВ до температуры кипения.
В нашем первом случае необходимая объемная производительность компрессора снизится на 3,43 м3/час.
До 13-3,43= 9,6 м3/час.
Во втором случае эффект будет меньше (243-200)/205,36 = 20% по массе.
Лишний перекачиваемый объем 170*0,20/21,213 = 1,6 м3/час
9 - 1,6 = 7,4 м3/час
Но компрессоры уже ближе друг к другу.
Кроме того!
За счет лучшего заполнения испарителя жидким фреоном его не надо сильно переразмеривать из-за пара. Пар будет только на выходе, в зоне перегрева.
Которую тоже можно уменьшить применяя ЭТРВ или регенератор.
Вот дальше начинаются сложности из за которых в бытовых устройствах и не
хотят применять более сильное переохлаждение. Максимум регенеративный
теплообменник, чтобы убрать зону перегрева из испарителя.
А то что там уже на треть паров, хоть и просто насыщенных а не перегретых
-закрывают глаза.

То что должен быть отдельный теплообменник это понятно всем.
А где взять -10. В испарителе то есть, но нужно искать в другом месте.
Полезной среды с такой температурой под руками как раз то и нет.
Охлаждать уличным воздухом – выбросить на улицу 2,88 kW из 8,88.
Вот и получается что задача вроде простая, но сложная при серийном
изготовлении теплового насоса.
В каждом отдельном случае нужно свое решение.
Можно сделать двойной теплообменник-испаритель, где внутри
кипящего фреона охлаждающего рассол, проходит дополнительный
змеевик для переохлаждения жидкаря.
Надо рассчитывать и делать самому, в пластинчатый змеевик уже не засунуть.
Можно предварительно охлаждать входящим рассолом, затем выходящим.
Сразу выходящим как то жалко.
Надо 2 теплообменника и все равно не будет -10, а часть теплоты в итоге уходит в грунт.
Может вернуться а может и нет, если внизу водоносный слой.
В промхолоде решают проблему в двухкомпрессорных системах , с двумя разными температурами кипения.
У кого есть принудительная вентиляция - подогревать входящий воздух.
А когда потеплело?
Может какому холодильщику проще собрать дополнительный маленький второй тепловой насос для переохлаждения жидкого фреона в первом-отопительном.
А кому и один не по зубам.

Выбор теплового насоса

1. Определяем мощность источника тепла для системы отопления жилища.
Наверно она не должна быть меньше его теплопотерь при комфортной для человека температуре внутри жилища и минимально-возможной температуре снаружи.

2. Прикидываем процент бивалента, то есть какую часть в годовой потребности тепла даст Вам тепловой насос.
Установив тепловой насос мощностью примерно 70% от максимальной необходимости в тепле, вы всё равно покрываете им более 90% годовой потребности.
В те несколько очень уж морозных дней в январе-феврале можно подогревать дом резервным источником, не обязательно весь, можно просто перетерпеть,  кому что по душе. Решать Вам, можно всё взять от ТН, но резон сократить
капитальные затраты на целую треть есть, и не малый.

3. Далее надо выбрать тип отопительных приборов.
Это очень важный шаг. Увеличение температуры выходящей из теплового насоса воды
на один градус снижает его холодопроизводительность на 1% , а СОР примерно на 3%.
То есть используя вместо теплых полов (с температурой воды в них +35) радиаторы с подачей +55 и получая одинаковую тепловую мощность, надо будет платить за электричество для привода компрессора на 60% больше. Также придётся установить примерно на 10% мощнее сам тепловой насос, чтобы компенсировать потерю 20% холодопроизводительности.

4. Выбор источника низкопотенциального тепла, которое будет использовать тепловой насос - ещё один важный шаг. Понижение температуры источника тепла для теплового насоса
на каждый градус снижает и холодопроизводительность и СОР на 5%.
То есть снизив температуру кипения на 20 градусов потеряем в 2 раза холодопроизводительность и СОР, значит чтобы получить ту же тепловую
мощность в конденсаторе понадобится тепловому насосу с компрессором в 2 раза производительнее, потребляемая мощность вырастет также в 2 раза.
Зимой в средней полосе России выбор небольшой, или вода из скважины или грунтовый коллектор, начальная температура примерно одинаковая. Только грунтовый коллектор легко можно загнать в минус и получить вышеуказанную катастрофическую потерю эффективности, вода из скважины этого сделать с собой не позволит.

Рассмотрим на примерах.
Предположим, что максимальные расчетные теплопотери дома 20 кВт, правда
90% всего времени вполне достаточно 14 кВт, но человек решил отказаться от бивалента и покрывать всё тепловым насосом "рассол/вода". Также не стал возиться с тёплыми полами, а решил обойтись радиаторами. Площадь их подобрал под температуру подачи +55.
ТН тепловой мощностью 20 кВт в режиме B0W55 будет потреблять 8,5 кВт СОР=2,4 покрывая 100% теплопотерь в пиковые холода, но основное время он будет работать не более чем на 70%, а то и меньше. Компрессор в нём должен быть объёмной производительностью не менее 22 м3/час. Регулирование выдаваемой мощности в обычных тепловых насосах производится старт-стоповым методом. 30 минут работает/ 30 минут стоит – это и есть 50% мощности.
100% мощности - работа без остановки. Для сглаживания колебаний температуры теплоносителя надо применять буферный теплоаккумулятор – утеплённый бак литров на 300-500.
Такой же Т. насос, но при работе на теплый пол в режиме B0W35 будет потреблять 5 кВт при СОР=4 выдавая 20 кВт тепловой мощности. Для сглаживания колебаний от старт-стопового режима ТН при частичных нагрузках достаточно будет инерции теплого пола, можно обойтись без буферных ТА.
Но гораздо разумнее было бы установить более дешевый тепловой насос тепловой мощностью 14 кВт, (компрессор объёмной производительностью 17 м3/час), в режиме B0W35 на тёплый пол потребление 3,5 кВт, меньше пусковой ток, более равномерная работа на частичных нагрузках и приличная экономия на грунтовом коллекторе. Кроме экономии 30% на стоимости ТН, длина, а соответственно и стоимость необходимого рассольного контура тоже будут на 30% меньше.
Минус только один – в холода, когда заниженной мощности теплового насоса не хватает, надо использовать дополнительный источник тепла. Но по статистике – всего несколько дней в году, чаще ночью, а может и вообще обойдётся.
Теплый пол с подачей +35 вместо радиаторов +55 поможет выгадать 65% в эксплуатационных расходах.
При СОР=4 потребление электричества в 1,65 раз меньше чем при СОР=2,4.
Конечно годовые результаты будут несколько отличаться, как в худшую сторону но также могут и в лучшую.
Недостаточное утепление может вообще лишить смысла использовать для отопления тепловой насос.
Вариант с подачей в радиаторы +55 и 100% покрытием мощности тоже вариант более чем сомнительный. Зачем ставить дорогущий комплект ТН/рассольный контур с потреблением электричества 8,5 кВт, если большую часть отопительного сезона можно обойтись электрокотлом 10-14 кВт
стоимостью три копейки.
А разницу в цене потратить на разницу в потреблении лет на двадцать и без всяких грунтовых коллекторов.

Коэффициент преобразования (COP)

Что такое СОР ? (Coefficient of performance) или КОП по нашенски.
От чего зависит этот коэффициент преобразования, почему разные производители насосов стараются указать у своей модели СОР лучше, чем у модели конкурента ?
Почти 200 лет назад уже была известна простая формула.
тогда ещё ни о каком знании строения вещества речь не шла.
Но формула прекрасно работала в паровозах и работает до сих пор
в современных тепловых двигателях.
Коэффициент полезного действия тепловой машины.

КПД = ( Тн - Тх ) / Тн

Тн температура нагревателя в градусах Кельвина
Тх температура охладителя в градусах Кельвина

Считается что Кельвин 150 лет назад тоже приложил руку и голову к
идее ТН, первый ТН несколько лет спустя построил австриец Риттенгер,
практическое использование началось 70 лет назад, а особенный интерес
возник 40 лет назад в связи с проблемами энергосбережения.
В тепловых насосах КПД тепловой машины перевернули вверх тормашками
и назвали коэффициентом преобразования ( трансформации)

СОР = Т out / ( T out - T in )

где Т out температура выхода ( нагревателя)
      T in температура входа (охладителя )

Это так называемый идеальный коэффициент.
В реальности его надо умножить ещё на коэффициенты:
- потерь, связанных с неидеальностью тепловых процессов, протекающих в испарителе и конденсаторе, из за неидеальности теплофизических характеристик хладонов
-необратимых потерь при сжатии
-потерь механических (трение и т.п.) в компрессорах
-потерь механических и электрических в двигателях
и прочее, как трение в трубах и т.п.

Для справки – КПД компрессора, в зависимости от его
типа и мощности колеблется от 0,2 до 0,8

Для наших типов ( поршень,спираль, ротор) и мощностей в единицы киловатт - не более 0,5- 0,7

КПД электропривода с мех потерями 0,7-0,95.

Берём стандартный B0W35 кипение -5 = 268 по Кельвину.
конденсация +40 = 313 по Кельвину.

313 / (313-268) = 6,5 Это идеальный коэффициент.
Умножаем на 0,7 и 0,9 получим 4,1 в лучшем случае.
Учитывая остальные потери будет уже около 4. В жизни где то так и бывает.
Отчего при одинаковых температурах на входе и выходе
могут быть разные СОР у разных ТН.
Наверно Карно тут не причём. Виноваты коэффициенты потерь
в компрессоре и электроприводе. Если достичь больше 0,7 и
0,95 соответственно очень сложно, то меньше – всегда пожалуйста.
Китайские товарищи с легкостью нам это доказывают.
Можно несколько повысить СОР другим способом, если применить в
ТН другие теплообменники, которые позволят уменьшить разницу между температурой кипения и входящим рассолом и сделать её меньше 5 градусов, ну скажем 2.
Так же и на высокой стороне, между температурой конденсации и выходящей водой – тоже 2 градуса..
Тогда идеальный СОР будет 310 / (310-271) = 7,95
С учётом 0,7 и 0,9 результирующий СОР получится уже 5.
Но такой способ может сделать ТН золотым, он возможен лишь с
увеличением эффективности теплообменников, со своими возникающими при этом проблемами.
Китайские товарищи на это вряд ли пойдут, СОР тем не менее
указывают иногда завышенный. Может КПД электромоторов
у них выше 0,99 ? И cos фи для них не указ.
Или придумали новый метод китайского изоэнтропного сжатия без потерь в своих компрессорах.
Вряд ли. К пределу совершенства подошли уже давно и на этом типе оборудования перешагнуть планку можно только в рекламных слоганах манагеров.

Раз уж зашел разговор про СОР тепловых насосов, и от чего он зависит, немного отвлечёмся и разовьём эту тему.
Как можно было заметить выше, в формуле СОР = Т вых / ( Т вых – Т вх )
нет ничего кроме температуры источника тепла и температуры на выходе.
Мы же привыкли вычислять СОР делением полученного количества тепла на затраты, нужные для высасывания его из внешнего источника.
Да ещё желательно сразу в киловатт часах. Так наверно удобнее переводить в деньги.
200 лет назад, когда вывели эту простую формулу ещё толком не знали про
электроэнергию, не было электромоторов, не было бензина-керосина, так как ещё не заинтересовались нефтью, да и до Федерального Резерва Америки было ещё целых 100 лет.
Вполне хватало для теоретических расчётов только значений температуры.

Что такое температура? Грубо говоря, это мера внутренней энергии, учитывающая сумму всего того что происходит внутри вещества в какой то момент.
До сих пор по отдельности все эти процессы посчитать невозможно, так как их скорее
надо рассматривать с точки зрения теории вероятности и статистики.
Это сообразили ещё тогда.
Представления о столкновениях атомов и молекул были развиты Клаузиусом и Максвеллом. Тем самым была создана база для статистического описания термодинамических явлений. Равновесное состояние газа, по Максвеллу, возникает в результате многократных энергетических обменов между хаотически движущимися и сталкивающимися молекулами.
Больцман впервые стал рассматривать понятие «энтропия» как меру хаотичности движения атомов и молекул. Он проанализировал не только состояние равновесия, но и эволюцию системы к состоянию равновесия. При этом возникла проблема асимметрии между прошлым и будущим вещества. Больцман обнаружил, что процессы в неорганическом мире имеют определенную направленность - от менее вероятных состояний к более вероятным. Изменение распределения скоростей молекул из-за их свободного движения соответствует обратимой части процесса, а вклад, вносимый в изменение состояния системы столкновения молекул газов, - необратимой частью.

Это и сейчас сразу понять непросто, но тогда телевизора не было, калькуляторов-
компьютеров тоже, а мозги уже работали неплохо, для удобства вычислений давно были придуманы логарифмы, дифференцирование и интегрирование (логарифмическая линейка существовала к тому времени уже 200 лет).
А вообще, кроме температуры, достаточно ещё всего четырёх единиц, чтобы описать зависимость одних вещей от других, происходящих во всём мире.
-длина/толщина
-масса (кг)
-время (сек)
-сила тока (Ампер)
Есть ещё сила света (кандела), её как и температуру наверно не смогли выразить через длину/массу/время/силу тока.

Испаритель и компрессор

Испаритель и компрессор должны соответствовать
друг другу по производительности

В противном случае система, обладая некоторой способностью саморегулироваться найдёт для себя другую точку равновесия, но в ущерб эффективности и экономичности.
Объёмную производительность можно изменять разными методами,
частотой вращения (инвертор), включением/отключением параллельных
компрессоров, перепуском (байпас) части газа.
В бытовых, тем более в самодельных такие методы применяются редко.
Производительность компрессора чаще всего фиксированная.
Поэтому производительность испарителя будет подстраиваться
под производительность компрессора сама.
Снизится давление и температура кипения, из-за большей дельты с рассолом производительность испарителя начнёт расти, а производительность компрессора падать из-за снижения давления. В какой то точке производительности сравняются и наступит статус кво. ::
Не стоит особо обольщатся. Способность саморегулироваться лежит в небольшом диапазоне рассогласования. Дальше начнутся проблемы с ТРВ, пульсации, перегрев электродвигателя, отключения по низкому давлению и т.д. Не говоря о проблемах на высокой стороне, которые для упрощения
не рассматриваем.
Плотность пара станет мала чтобы эффективно охлаждать двигатель, в то же время маленький перегрев после испарителя позволит проскакивать капелькам жидкости в компрессор. Эффект как от горстки камешков в цилиндры.
Есть ещё другой способ согласования, но тепловой насос сам это сделать не может.
Надо поднять производительность недоразмеренного
испарителя до производительности компрессора. Для этого необходимо
подавать более тёплый рассол в испаритель. Где его взять?
Опять же всё сводится к увеличению дельты. Поэтому как не крути, а дельта будет по любому больше.
Можно увеличить скорость протока жидкости, но скорость скорее всего и так уже заложили максимальную при начальном подборе теплообменника. Лишних денег для этого ведь не нужно было.
При умышленном переразмеривании испарителя дельта падает, что ведёт к увеличению эффективности. Посмотрите на график выше, он хорошо отражает
смысл подбора по критерию цена/эффективность. Но с какого то момента, при дальнейшем повышении площади теплообмена происходит совсем незначительное снижение дельты, а проблем с гидросопротивлением возникает всё больше.
Также в большом испарителе, относительно мощи компрессора, сложно регулировать перегрев. Вместо ТРВ придётся применять другие методы. Всё это тоже надо принимать во внимание даже если есть под руками вагон халявных ПТО.

Во всяких книгах для холодильщиков иногда рассматривают
переразмеренный испаритель или слабый компрессор для удобства
диагностирования неисправности как одно и тоже.
Для них это верно. Логика есть. Симптомы те же.

Как это так в процессе эксплуатации испаритель вдруг станет переразмеренным?
Скорее компрессор потеряет часть своей мощи.
В нашем, теплонасосном случае это не так.
Мы подбираем испаритель под теплопотери дома, которые старается компенсировать конденсатор, отдавая своё тепло в СО.
Чем больше отдаёт в СО конденсатор, тем больше тепла пытается отобрать от грунта испаритель.
В холодильниках наоборот, испаритель подбирается под теплопритоки.
Чем больше приходит тепла в него, тем больше надо передать конденсатору.
В холодильном мире стоит задача охладить испарителем некоторую
среду – воздух в помещении или жидкость в трубах. И там совсем не нужно
лишнее тепло из конденсатора. Проблема - куда его девать.
В случае с ТН охлаждать и стабильно поддерживать необходимую низкую температуру под землёй совсем не требуется. И каждому лишнему полученному киловатту тепла в конденсаторе радуются как дети.

Терморегулирующий вентиль (ТРВ)

Начнём с того что ТРВ не предназначен для регулирования температуры кипения.
Ему всё равно какая будет температура кипения +10 или -50.
Конечно при изменении проходного сечения ТРВ температура кипения
может изменяться, но это уже следствие других процессов, происходящих в
холодильном контуре.
Также не предназначен ТРВ и для регулирования мощности установки.
Хотя на первый взгляд он это и делает, реагируя на снижение мощности испарителя прикрывая поступление жидкого хладагента, когда по каким то причинам теплопритоки извне в испаритель снижаются и компрессор может хлебнуть и подавиться неиспарившейся жидкостью.
Получается что ТРВ скорее нужен для автоматического поддерживания максимальной мощности (холодопроизводительности) испарителя.
А вот если теплопритоки в испаритель так и останутся небольшими,
и давление в испарителе будет продолжать падать, то через некоторое время
реле низкого давления или температуры отключит компрессор.
Максимальная мощность может быть снята только при максимально возможном заполнении испарителя хладагентом.
Вот он и поддерживает максимально возможное заполнение испарителя
жидким хладагентом и в то же время не допускает попадания жидкой фазы в компрессор. Для этого отслеживает разницу температур между температурой
кипения и температурой своего выносного термобаллона на выходе испарителя. Считается что при разнице в 6-9 градусов, на которые рассчитан обычный механический ТРВ, в стандартных решениях испарителей вся жидкость наверняка испарится и компрессору вреда не будет. В некоторых
конструкциях испарителей можно поддерживать и меньшие значения перегрева, но стандартный механический ТРВ на это уже не способен.
Электронные ТРВ могут поддерживать перегрев от долей градуса, но тут уже играет роль инерция регулирования и конкретное исполнение системы.
В любом случае до входа в компрессор кипение должно закончиться и жидкости быть не должно.
Может показаться что чем меньше перегрев, тем лучше.
Да, испаритель при наименьшем перегреве выдаст максимальную мощность.
Но с повышением перегрева увеличивается температура выходящего из испарителя пара и повышается его плотность, следовательно компрессор при одной и той же объёмной производительности выдаст большую производительность массовую. Получается перегрев для испарителя и компрессора работает противоположно. Должна быть достигнута какая то золотая середина. Слишком большой перегрев пара может привести и к физическому перегреву компрессора. Для некоторых хладагентов даже небольшое повышение перегрева не приносит никакой выгоды. Потеря производительности испарителя и потери при сжатии газа съедают больше, чем приносит повышение массовой производительности компрессора.
Это R22, аммиак и некоторые другие.
Для R134, R407, R410 некоторый разумный перегрев вполне может быть полезен. Но опять же он идёт на увеличение массовой производительности
компрессора, снижая холодопроизводительность испарителя.
Вот тут и надо решить. Что Вам выгоднее?
Совсем недавно меди было завались а нормального компрессора не найти.
Теперь и меди нет и пластинчатые теплообменники зачастую стоят дороже компрессора. Если решили использовать минимальный перегрев с максимальным использованием испарителя придётся раскошелиться на ЭТРВ с контроллером. Если нет - подойдёт любой механический ТРВ, но испаритель будет нужен размером поболее.

Температура входящей в испаритель воды, температура выходящей (охлаждённой), температура кипения фреона и расходы этих теплоносителей связаны друг с другом через площадь теплообмена испарителя.
Рассмотрим на примерах.
Возьмём температуру кипения. Площадь теплообмена постоянна, температура воды на входе тоже постоянна. Как понизить температуру кипения?
Надо понизить температуру выходящей воды, для этого уменьшаем её расход
через испаритель. Теплопритоки в испаритель уменьшились, ТРВ прикрылся,
компрессор отсасывает с той же страстью, поэтому давление упало, а температура кипения снизилась.
В жизни специально снижать температуру кипения никто не захочет, а вот чтобы повысить температуру кипения надо наоборот увеличить проток воды. А вот это уже не всегда выполнимо. Или воды не хватает, или мощности насоса, или гидравлика не позволяет или сливать некуда. Причин много. Да и рассчитывался испаритель скорее всего по максимальному протоку. Больше он уже через себя не пропустит без попутных проблем с гидравликой.
Смотрим следующую переменную.
Чтобы повысить температуру кипения можно повысить температуру входящей
воды. Но для этого как минимум надо прилично увеличивать площадь грунтовых зондов. А это кусается.
В случае же со скважиной, какая вода там есть - такой и рады.
Остался последний метод воздействия на температуру кипения, в сторону повышения - это увеличение теплообменной поверхности испарителя.
Тут тоже должен быть разумный подход. Если испаритель и так рассчитывался на перепад ( средний температурный напор) 5 градусов, то больше 1 дополнительного градуса без значительных вложений не снять.
Может так получиться что даже в 10 раз больший по площади не принесёт больше 2 градусов, а гидравлика будет ни к чёрту. А вот занижение площади в 2 раза относительно расчётной легко может отбросить к 10 градусам перепада.
Все закономерности уже давно перепробованы, для воды самый оптимальный вариант 5 градусов. Не надо пытаться перехитрить самого себя и не придётся скрести по сусекам в других местах.

P.S. Не путать!
Перепад 5 градусов - имеется в виду не разница между входящим и выходящим рассолом, а разница между температурой кипения и средней температурой рассола в испарителе. Так называемый средний температурный напор.

Про зонды для теплового насоса

Иногда возникают вопросы, какая зависимость между длиной, диаметром, материалом зонда и количеством теплоты, которое можно отобрать из грунта.

Теплопроводность грунта колеблется от 0,5 Вт/(м*К) в случае сухих песков до 3 Вт/(м*К) в скальном массиве. Сомнения в экономической целесообразности грунтового коллектора возникают в первом случае из-за слишком большой необходимой длины труб, во втором из-за стоимости работ.
В промежуточных вариантах может встретиться водоносный песок, что повысит теплопроводность выше скального массива, в этом случае при малых затратах на работу можно сократить и длину труб, это самый предпочтительный вариант после контура в проточном водоёме, а может попасться скальный грунт в виде крупного гравия без воды, в котором теплопроводность хуже чем в сухом песке и бурить/копать сложнее.
Разница теплопроводности в различных грунтах может достигать более 10 раз.
Но не впадая в крайности, где устраивать теплосборные коллекторы нет
никакого смысла, и исходя из опыта многочисленных монтажников можно сказать, что грунтовый горизонтальный коллектор может в течении отопительного сезона давать 10-15 Вт с погонного метра, не боясь совсем заморозиться к весне.
Вертикальные зонды могут дать 40-50 Вт с погонного метра.
В вертикальных лучше организованы теплопритоки к зонду, они идут со всех сторон, лучше водонасыщение пород, соответственно больше
возможный теплосъём. Более точные данные можно получить после соответствующих исследований на объекте.

Так как теплопроводность грунтов довольно незначительна, металлические
трубы для грунтовых теплообменников применять совсем не обязательно, вполне возможно применение пластиковых труб.

Возьмём распространённую ПНД трубу.
теплопроводность ПНД около 0,4 Вт/м*К


коэффициенты теплопередачи одного погонного метра ПНД трубы
в скобках указана средняя площадь поверхности теплообмена

ПНД 20 х 2,0 (0,056м2) 11,2 Вт/К
ПНД 25 х 2,5 (0,07 м2) 11,2 Вт/К
ПНД 32 х 3,2 (0,09 м2) 11,2 Вт/К
ПНД 40 х 4,0 (0,11 м2) 11,2 Вт/К
ПНД 50 х 5,0 (0,14 м2) 11,2 Вт/К
ПНД 63х 6,5 (0,18 м2) 11,2 Вт/К

11,2 Вт/К - это столько ватт может отнять у грунта метровый отрезок трубы
при перепаде температур грунт/гликоль один градус.

Больше не позволит теплопроводность материала, в нашем случае ПНД.
В случае применения стали или меди можно отнять в сто или тысячу раз больше, но в грунте к сожалению столько нет.
Вполне хватит теплопроводности ПНД.
Но применять трубы с более толстой стенкой или материалы с меньшей теплопроводностью, чем у ПНД, в одну нитку уже нежелательно. Будет неоправданно расти перепад температур между гликолем и грунтом.

для сравнения

сталь 25 х 2,5 (0,07 м2) 1400 Вт/К
медь 9,5 х 0,9 (0,027 м2) 12000 Вт/К

Кроме того, оказывается труба со стандартной толщиной стенки, независимо от диаметра, с одного погонного метра может дать один и тот же теплосъём с градуса перепада температуры.
Если используется стандартный ряд 20, 25, 32, 40, 50, 63 в которых
наружный диаметр предыдущего размера является внутренним диаметром
следующего, то прирост коэффициента теплопередачи из-за увеличения теплообменной площади нейтрализуется увеличением толщины стенки трубы.
Для ПНД труб это значение составляет 11 Вт/К с погонного метра трубы любого диаметра, от 20 до 63, со стандартной толщиной стенки.

Можете посчитать сами, скажем для трубы 40 с толщиной стенки 4 мм
0,4 теплопроводность ПНД / 0,004 толщина в метрах = 100 Вт/(м2*К)
(0,04 + 0,032)/2 * 3,1415 = 0,112 м2 средняя площадь теплообменной поверхности.
0,112 * 100 = 11,2 Вт/К

Для горизонтальных коллекторов этого вполне достаточно, 10-20 Вт при перепаде 1-2 градуса можно снять одной ниткой ПНД. Диаметр трубы подбирается только исходя из гидравлического расчета контура, расход теплоносителя при этом должен обеспечивать перенос теплоты, снимаемой по всей протяженности контура с минимально возможной дельтой.

При вертикальном зонде, как отмечалось выше, грунт иногда способен дать 50 Вт с погонного метра.
В этом случае U – образный двухтрубный зонд с учётом паразитного теплообмена способен поглотить (11+11)-30%= 15 Вт/К с погонного метра.
При поглощении 50 Вт тепла от грунта перепад температур между зондом и грунтом будет немногим более 3 градусов. Применяя двойной U – образный четырёхтрубный зонд можно добиться снижения перепада температур до 2-2,5 градусов.
Дальнейшее наращивание числа труб в единичном зонде по всей видимости смысла не имеет.

Теплопроизводительность зонда теоретически предсказать
непросто. Нужен геологический разрез именно в месте бурения.
Гравий имеет теплопроводность около 1 Вт/м*К , увеличить теплопроводность может хорошее водонасыщение горизонта.
Граниты и базальты обладают теплопроводностью 2,5-3,5 Вт/м*К
Остальные камни, которых множество видов имеют 1,3 -2,5 Вт/м*К
Ракушечник 2,1-2,4 бетон 1,5 -1,9 кирпич 0,25 - 0,9 в зависимости от пор.
Чем больше пор в камне, тем хуже теплопроводность.
Газы в порах ухудшают теплопроводность.
А вода в порах теплопроводности уже не помогает, так как перемещаться ей там затруднительно, а сама вода имеет теплопроводность всего 0,58 Вт/м*К

Я надеюсь перед тем как делать грунтовый коллектор или зонд каждый всё же постарается определиться с составом почвы под ногами или доверится специалисту.

Теплообменники часть 2

В двух словах не опишешь, почему эффективность одних типов теплообменников в десятки раз превышает такие же параметры других при одинаковых условиях.
А также почему эффективность уже одного и того же теплообменника в десятки раз может отличаться при различных условиях.
Поэтому придется разбить на несколько частей и для лучшего понимания начать издалека.
Многие, просматривая технические характеристики теплообменников, сразу обращают свое внимание на максимальные показатели, которые указывают в рекламных проспектах даже не производители, а менеджеры по продажам фирм-посредников.
Максимальных показателей зачастую можно добиться только при предельных условиях работы.
Поэтому серьезные поставщики при подборе оборудования требуют от заказчика заполнения листа ТУ с указанием условий при которых собирается эксплуатироваться аппарат.
Под эти параметры ему подбирается теплообменник, с необходимыми запасами (на загрязнения например) и если в дальнейшем возникнет претензия на несоответствие с паспортными данными по эффективности, то заказчика ткнут носом в несоблюдение им ТУ.
Нас не в последнюю очередь интересует цена, которой достигаются конечные результаты и часто мы готовы пойти (по разным причинам) на некоторое ухудшение показателей для получения более гуманного ценника.
Отношение цена/качество, на первый взгляд, для каждого свое.
Кому-то хочется максимального качества, неважно какой ценой.
Другому хочется максимальной дешевизны, лишь бы работало.
И тот и другой варианты не совсем правильные, тем не менее пусть каждый выбирает, что ему по душе.
Для выбора своего варианта необходимо обладать набором элементарных знаний, чтобы не попадаться на удочки менеджеров или не пасть жертвой своей жадности.
Итак, что представляет собой теплообменник?
Рассматривать будем только те типы, применение которых возможно в тепловом насосе.

Так что такое теплообменник для теплового насоса?
Грубо говоря, это просто перегородка, разделяющая две среды, обменивающиеся друг с другом теплотой, и не допускающая их смешивание.
В нашем случая смешивать их точно не рекомендуется.
Кроме герметичности и необходимой прочности, материал перегородки должен обладать достаточной теплопроводностью.
Сразу стоит отметить, что практически любой твердый материал подходящий по прочностным характеристикам обладает необходимыми теплофизическими.
Мало того, теплопроводности материалов, из которых изготавливают перегородки (стенки) теплообменников обладают теплопроводностью многократно превышающую теплопроводности жидкостей и газов, участвующих в теплообмене.
Температурный перепад на стенке получается крайне незначительный относительно перепадов в газах/жидкостях, поэтому в большинстве случаев материал стенки почти не имеет значения, из чего бы её не сделали, из меди, алюминия, серебра, золота, платины, нержавеющей стали или обычной.

Для справки
Самой большой теплопроводностью из газов обладает водород и гелий, около 0,17 Вт/мК
У воздуха, в несколько раз хуже, около 0,02
Самой хорошей теплопроводностью среди жидкостей обладает ртуть, около 8,5 Вт/мК, да и то, только потому, что по совместительству является металлом.
Привычные нам жидкости, типа воды, спиртов, и их смесей имеют теплопроводность от 0,6 у воды, до 0,1-0,3 у неразбавленных.
Теплопроводность серебра 430 Вт/мК, меди 390, алюминия 200, латуни 100, стали 50.
Очень большой теплопроводность обладают некоторые состояния углерода, так у алмаза 1000-2000, у графенов достигает 5000.
А жидкости и газы, наоборот имеют очень скромные показатели.
Даже относительно небольшая величина у стали превышает как минимум в 100 раз теплопроводность водных растворов, а газов и паров фреонов в 1000.
Учитывая толщину стенок теплообменников, не превышающую 1 мм, а чаще и того менее 0,3-0,4 мм даже процессы кипения и конденсации с довольно большой плотностью получающегося теплового потока не требуют применения особых материалов.
Поэтому в дальнейшем, при расчетах, температурный перепад на стенке будем учитывать только при применении материалов типа ПНД, ППР и других пластиков с теплопроводностью 0,15-0,45 уже вполне соизмеримой с теплопроводностью жидкостей и газов.

Теплообменники часть 3

С теплопроводностью стенки теплообменника разобрались.
Если она тонкая и сделана из любого металла, то температурный перепад на ней до того незначительный, что в нашем (теплонасосном) случае им можно просто пренебречь, ибо теплопроводность стенки существенно (в сотни и тысячи раз) выше теплопроводностей тех сред, которые собственно и обмениваются теплом.

Можно привести пример.
В теплообменнике, скажем с коэффициентом теплопередачи 1000 Вт/м2 на градус и среднем температурном напоре 20 градусов, тепловой поток составит 20 000 Вт/м2.
На стенке из нержавеющей стали толщиной 0,5 мм температурный перепад будет
20000 / (50/0,0005) = 0,2 градуса.
На медной стенке толщиной 1 мм перепад будет в четыре раза меньше, около 0,05 градуса.
И то и другое по сравнению с 20 градусами среднего теплового напора теплообменника просто мизер.
При использовании теплообменников в тепловых насосах тепловой напор стараются делать еще меньше,
следовательно перепад на стенке тоже будет ниже.

Идем далее.
Какие еще параметры влияют на теплопередачу, кроме уже рассмотренного коэффициента теплопроводности и разности температур?
Сразу отметим, что из трёх основных способов теплообмена - теплопроводности, излучения и конвекции,
излучение мы учитывать не будем.
Хотя в нашем случае тепловое излучение тоже участвует в теплообмене, перепады температур в теплообменниках тепловых насосах незначительные, поэтому доля его мала и забивать голову пока не стоит.
Остается еще конвекция. В переводе с латинского означает "доставка".
Для того, чтобы происходила конвекция (доставка) тепла необходимо перемещение среды.
Вот это основной путь теплопереноса в наших низкотемпературных теплообменниках с движущейся средой.
Притом от стенки теплообменника к среде (жидкости или газу) при непосредственном контакте теплота передается посредством теплопроводности, вглубь вещества тоже передается теплопроводностью, а в другое место дальше по течению переносится конвекцией.
Если течение происходит параллельными струями без перемешивания, а так и происходит перемещение жидкостей и газов до определенной скорости потока, то теплота от нагретой стенки вглубь движущейся среды передается только теплопроводностью.
Так как теплопроводность наших жидкостей и газов небольшие, процесс идет медленно и нужна значительная протяженность пробега потока вдоль стенки, чтобы жидкость или газ прогрелись по всему объему.
Что нужно сделать, чтобы этот процесс ускорить?
Для твердых веществ - увеличивать тепловой поток, увеличивая разницу температур (тепловой напор)
или уменьшать толщину (сечение) перпендикулярно тепловому потоку.
Для жидких и газообразных дополнительно, кроме увеличения температурного напора и уменьшения сечения потока, есть и другой способ - перемешивать движущиеся слои.
Для этого требуется увеличить скорость потока, чтобы жидкость или газ начали перемешиваться.
Процесс течения без перемешивания называется ламинарным, с перемешиванием турбулентным.
При турбулентном течении из-за перемешивания резко увеличивается тепломассообмен между слоями и для прогрева всего объема движущейся жидкости или газа требуется значительно меньшая длина пробега вдоль греющей стенки, даже несмотря на увеличение скорости.
Вот основные методы интенсификации теплообмена - уменьшение сечение потока и увеличение скорости для достижения турбулентного течения и лучшего перемешивания.