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.