Тепловой насос (холодильная машина) воздух-вода для Российской зимы. Двухступенчатая ХМ (своими руками)

      Попутно с исследованием геозондов для кафе "Затерянный рай" (На сегодня в кафе установлен тепловой насос для подогрева горячей воды за счет охлаждения уличного воздуха) занимаюсь исследованием возможностей ТН (ХМ) воздух-вода для нашей Российской зимы до -30 градусов холода. Суть в том, что одностадийные компрессоры теряют производительность с понижением температуры кипения, а также из-за недоохлождения жидкого фреона после конденсатора теряется холодопроизводительность. Использовать дорогие компрессоры с ECO портом не хочется. Возникла идея использовать двухступенчатую ХМ. Задав вопрос на ФорумХаусе по поводу двухкомпрессорных ТН интерес не обнаружен.

Исследования на тему целесообразности воздушных ТН (ТНУ или НВТН)

Задача: Из двух дешевых компрессоров (Китай) собрать ТН (ХМ) воздух-вода по параметрам превосходящим японский Зубадан (ME Zubadan Invertor). Короче - смогут ли два китайца под управлением татарина обойти одного японца :).

На данный момент сижу на холодильном форуме с целью извлечь полезную инфу из голов гуру холодильщиков.

Мои вопросы и попытки "обойти грабли" уже получили свое рода награду :)

Схема агрегата.

Основа - шасси

Промежуточный теплообменный ресивер.

Собираем на шасси компрессоры и ресивер.













20.08.2013г.
В принципе спаял и запустил.
Кипение нижнего (давление) -55.
На всасе нижнего компрессора (температура) -30.
В промежуточном ресивере -25.
Конденсация +25.
Ток большого компрессора (нижнего) 4,1А
Ток маленького (высокого) 3,1А.
Температура обоих компрессоров (корпус) около 80-90 градусов.

Похоже либо фреона маловато или ТРВ нижней ступени вставка (№3) маловата. Но буду наблюдать, может я гоню.
Испаритель из 12мм трубы длиной 15м весь в снегу, температура поверхности около -30 (по инфракрасному термометру).

Агрегат не взорвался, что радует. Работает спокойно.
Не могу решить какой нижний или верхний компрессор запускать первым.

Косяки:
    Надо поменять конденсатор (50мкФ) на большом на 60 мкФ, как по паспорту. Кондиционерщик, что продал мне маленький компрессор, неправильно схему подключения нарисовал - не запускался компрессор, пришлось пересоединять, потом заработало.
    Смотровые стекла все напрочь замерзают - трудновато смотреть однако польза от них все таки есть видно уровень фреона в ресивере и идет ли жидкарь в нижнюю секцию.
   После первого пуска зашипело по всем гайкам ТРВ и капилярки на манометре - подтянул, но все равно потихоньку травит (из одной) - метрическая китайская вальцовка методом компенсации ошибок все таки не дает 100% качества.
   Нашел один недопай на фильтре - когда паял торопился недогрел фильтр и он не пропаялся - пришлось перезалить фреон.

Итак некоторые замеры:

Вода залита в бак ГВС 80л. Правда "верх ногами", но не суть.
Утром обнаружил течь опять с гаек ТРВ -  >:(.

Поставил конденсатор на 60 мкФ - ток стал больше значит при недогрузе компрессора емкость надо уменьшать. Поставил 20+25=45 мкФ, может маловато надо 50 мкФ опять попробовать.

Погонял немного агрегат до температуры воды +36 градусов, кипение -50...-60.

Притащил вентилятор из офиса и долил немного фреона. Купил типа ваттметра, вставляется в розетку - измеряет электрическую мощность надеюсь активную, а не все подряд.








Старт.
0 секунд. Вода +36, кипение -46, промежуточный ресивер -12, конденсация +42, ток нижнего 4.3А, ток верхнего 4.2А сумма 8.17А, ваттметр 1.75 кВт (сумма).
1мин 59 сек. Вода +37, кипен/ресив/конден -45/-11/+44. ток большого 4.3А, мощность потребляемая 1.79кВт.
4:15. Вода +38, -45/-11/+45, ток большого 4.25А, мощность 1.78кВт.

Еще добавил немного фреона.
6:31, вода +39, -45/-10/+46, ток большого 4,38А, мощность 1,84кВт.
8:32, вода +40, -43/-9/+47, ток большого 4,4А, мощность 1,88 кВт.
10:27, вода +41, -42/-9/+48, ток большого 4.5А, ток маленького 5.1А, мощность 1,94кВт.
12:25, вода +42, -44/-8/+49, ток большого 4.45А, ток маленького 5.3А, мощность 1.9кВт.
14:20, вода +43, -43/-8/+50, ток большого 4.34А, ток маленького, 5.2А, мощность 1,96кВт.
16:24, вода +44, -43/-8/+50 - остановил эксперимент.

Вывод в принципе греет воду.
т.к. вода в баке стоит и не циркулирует, то возникло подозрение, что ее температура разделилась. Бултыхнул воду несколько раз с перерывом в несколько минут. Равновесная температура установилась около +42 градусов, т.е в принципе имеется некоторое расслоение, но медная трубка в баке лежит по всему объему (нагнетание в низу, жидкарь выходит через верхние витки, т.е. сильнее греем внизу) поэтому особо сильно не должно разбегаться.

Кажись еще надо добавить фреона, первые витки от ТРВ в руках не удержишь отмораживает, а начиная где-то с середины уже можно подержать не сильно "кусается", в конце трубы только снег.

Когда стоит агрегат фреон куда-то уходит в ресивере фреон не видно.


Так как компрессор герметичный и крутится он от электродвигателя однофазного, а точнее двухфазного или конденсаторного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. То для его успешной работы нужна фазосдвигающая емкость. По паспорту 60 мкФ при потреблении 3 кВт, а у нас кушает около 1 кВт.
Недостаток однофазных (конденсаторных) электродвигателей в том, что при изменении нагрузки от номинальной магнитное поле становится эллипсным. Грубо говоря когда нагрузка уменьшается фазосдвигающий конденсатор нужно меньше когда больше соответственно больше.
Если подобрать конденсаторы под текущий режим, то КПД электродвигателя,а также компрессора в целом становиться наибольшим. Грабля в том, что постоянно подбирать конденсаторы не получается режим плавает.

Пробовал 20 мкФ ток 5.3А 40 мкФ ток 4,2А, 60мкФ ток 5,3А. Значит середина около 40-50 мкФ.

Вывод установки с меняющимся режимом целесообразно строить на 3-х фазных компрессорах, во избежании падения КПД электродвигателей.

Еще запуск.

вода около 36-37. Запустил.

0:0 вода +39, кипен-47/ресивер -13/конден +45, ток б.=4,7А ток м. 4.3А потребление электро 1.7 кВт.
2:20 вода +40, -51/-15/+46 ток.б 4,15А, ток.м 4,4А, потребление 1,75кВт.
5:27 вода +41, -51/-15/+46 ток.б 4,1А, ток.м 4,4А, потребление 1,8кВт.
8:00 вода +42, -47/-13/+48 ток.б 4,15А, ток.м, потребление 1,8кВт.
долил немного фреона.
10:34 вода +43, -45/-11/+50 ток.б 4,3А, ток.м 4,9А, потребление 1,89кВт.
12:50 вода +44, -45/-9/+52 ток.б 4,35А, ток.м, потребление 1,95кВт.
14:40 вода +45, -47/-9/+53 ток.б 4,45А, ток.м 5.26А, потребление 1,97кВт.
20:15 вода +48, -47/-9/+54 ток.б 4,4А, ток.м 5,4А, потребление 1,98кВт.
24:33 вода +50, -47/-9/+56 ток.б 4,3А, ток.м, потребление 2,0кВт.
Перемешивание воды дало температуру +48...+48,5 градусов.
После доливки фреона ТРВ нижнего стало закрываться (уровень фреона перед ТРВ стал меньше булькать), на всасе нижнего -33...-30. Всас верхнего +1...-1. Стало быть ТРВ настроено на +9..+11 градусов перегрева.

Утеплил компрессоры фольгированным вспененным полиэтиленом толщиной 3мм.
При температуре воды +47, температура фильтра перед верхним ТРВ около +49 (будем считать ее температурой жидкаря).
Температура поверхности нижнего компрессора(большого) +80, температура верхнего +104.

Раскочегарил агрегат до конденсации +66.
Вода +60, кипение -40. Ток большого компрессора 5.5А, ток маленького 7.5А, элетропотребление 2,5кВт.

Случилась маленькая авария шланг от среднего манометра открутился и у него повредилось уплотнение, надо его заменить.

Немного теории и вычислений:
Если вам надо 10 кВт тепла для одностадийного в -30 на улице (кипение -40, DT=10), то холода будет 3,34кВт при КОП=1.5, я думаю теплообменник DT=10 на 3-4 кВт не так много стоит. (FEА Q 30.13 3750 Вт (при DT=10) 2525 Вт (при DT=8) E-1 462*42=19404 рубля)

Пусть имеется:
1. два компрессора на 8 куб. м. и 4 куб. м. 10 тыс. руб и 6 тыс. руб соответственно итого 16 тыс. руб. за компрессоры.
2. Два ТРВ по 2.5 тыс. руб.
3. Промежуточный ресивер 1л - 500 руб.
4. Набор трубок - 3 тыс руб.
5. Воздухоохладитель - 348*43=14964 руб. (2.1 кВт)
6. Теплообменник вода-фреон 13 тыс. руб. (30 пластин) DT=6 при 8-9 кВт
7. Фреон R22 - 1 тыс. руб.


Итого минимум 54 тыс. руб с учетом сборки 60 тыс руб.
Выше можно посмотреть практический результат при кипении -45..-50 - мощность по теплу около 2.9 кВт потребление 1.8 кВт тепловой КОП=2,9/1,8=1,61.

Теоретический расчет. 
Режим -40/+60 значит по воздуху -30 (DT=10) по воде +55. Мощность по теплу 4кВт потребление 2.1 кВт КОП=1.9. (пока мы не достигли теоретического КОПа и мощности, но и температура кипения у нас ниже -45)
Режим -30/+50 по воздуху -15 (DT=10*1.5=15) по воде +45. Мощность по теплу 5.1 кВт потребление 2,2 кВт КОП=2,28

Стоимость 1 кВт самоделки при -30 на улице 60/4=15 тыс. руб., при -15 11.7 тыс. руб.
Если не жмотничать и поставить воздухоохладитель на 3750 вместо 2150 и доплатить 4.5 тыс. руб.
то получим:

Теоретический расчет.
Режим -36/+60 значит по воздуху -30 (DT=6) по воде +55. Мощность по теплу 4.5кВт потребление 2.3 кВт КОП=1.96.
Режим -33/+50 по воздуху -25 (DT=11) по воде +45. Мощность по теплу 4,7 кВт потребление 2,1 кВт, КОП=2,2
Режим -25/+50 по воздуху -15 (DT=10) по воде +45. Мощность по теплу 5.8 кВт потребление 2,4 кВт КОП=2,42

Тогда стоимость 1 кВт станет при -30 на улице 65/4,5=14.4 тыс. руб
при -15 на улице 1 кВт стоит 65/5,8=11.2 тыс. руб.

А теперь Zubadan - работает до -25 на улице. MUZ-FD50VABH-E1 - стоит 3390*32=108480 рублей.
Выдает 6 кВт тепла и потребляет 1.61 кВт при +7 (Температура воздуха +20 значит конденсация +30,+35)
смотрим таблицу при -25 
падение 0.8 по теплу и рост 1,92 по потреблению получим 4,8 кВт тепла и 3,09 кВт потребим энергии КОП=4,8/3,09=1,55.
Стоимость 1 кВт тепла от ZUBADAN 108.480/4,8=22,6 тыс. руб. Заметим что температура конденсации +35 ниже чем у народного двухступенчатого +50. При этом бытовой ZUBADAN не канает для нагрева воды, для воды только полупром версия. При том инвертор дает +10% к эффективности компрессора за счет более совершенного двигателя, но плата за это цена.

При расчетах двухступенчатое сжатие дает выигрыш по теоретическим расчетам против одноступенчатого.
Практика покажет.

Сегодня (26.08.2013г.) выипся, но целый день с 11:50 до 16:40 гонял агрегат на проточной воде. Агрегат выжил несмотря на мои издевательства.

Первая серия.
запущен агрегат в 11:50
ТРВ понизил перегрев на 1/2 оборота (я думаю 2-4 градуса уменьшился перегрев). работать стал как-то получше.
Вода поток 18 литров за 4 мин 50 сек. Вода в бочку поступает +12.5 градусов. Выходит +24.6. Такой режим держался пару часов, так что компрессоры прогрелись. Агрегат кушал 1,96 кВт кипение -39 градусов. конденсация +36, жидкарь на выходе +33. Ток большого 5,65 А, ток маленького 4.0 А. температура большого +72 градуса, температура маленького +70. Всас большого -34, всас маленького +4, в промежуточном ресивере 0 градусов.

далее поток остановил и измерил нагрев только бака.
0:0 температура бака +26.7 (конденсация +38) 2.03 кВт
4:42 +29 (конденсация +40) 2.05 кВт.
9:11 +32 (+43) 2.09 кВт, ток б. 5.6А ток м. 4.45А
10:46 +33 конденсация +44 потребление 2.1 кВт.
...
...
19:56 +39 конденсация +48, 2.18 кВт.
27:0 +43 (кипение -38, пром +3, конденсация +52) 2.26 кВт.
добавлен фреон.

34:04 +48 (кипение -36, пром+6, конденсация +58) 2.5 кВт. Ток большого 6А, ток маленького 6А
...
...
38:42 +51 конденсация +60 кипение -37 потребление 2.58 кВт.
41:30 +53 (кипение -37, конденсация +62) 2.64 кВт, ток. большого 6А, ток маленького 6.5А.

в 14:30 отключил агрегат.

спустя 30 мин вторая серия.

еще добавил фреон может многовато уже оба докипатели во льду.

на проток 18л за 3 мин 40 сек. вода на выходе 23.3..23.6, вода на входе +12.5. потребление 1.93 кВт.
режим кипение -40, промежуточный -9, конденсация +38. температура обоих компрессоров около 70-80 градусов.
проработал до 16:40.

Попробуем собрать КОП:
1. (первая серия экспериментов) 18/(4*60+50)=0.062 0.062*4170*(24.6-12.5)=3128 Вт, кушаем 1.95 кВт, тепловой КОП=1.6 при -39 и конденсация. +36.
2. (вторая серия экспериментов) 18/(3*60+40)=0.082 0.082*4170*(23.3-12.5)=3693 Вт кушаем 1.93 кВт, тепловой КОП=1.91 при -40 и конденсация +38.

нагрев без потока на 4 градуса с +49 (конденсация +59) 36:04 до +53 (конденсация +62) 41:30 за 5 мин 24 сек.
80*4170*4/(5*60+24)=4.12 кВт потребляем от 2.5 кВт до 2.6 кВт. тепловой КОП=1.585 при кипении -40 и конденсации +59.

По предварительным данным в ходе экспериментов однозначно превзошли Zubadan по рабочему режиму -40 / +60 и по расчетному значению КОП при режиме -30 (-25 на улице). Получилось, что достигнут КОП при -40, примерно такой же как у ZUBADAN при -30. По цене пока сравнивать рано, но агрегат без воздухоохладителя обошелся примерно за 40-45 тыс.руб. к нему приделан водогрейный бак с ТЭН (на всякий случай) на 80л. за 2990 рублей в него помещена медная трубка 15м. стоимостью около 2000 руб.

Итого агрегат с водогрейкой за 45-50 тыс. руб.

Россия круче всех.

Дальнейшие планы:
1. Т.к. агрегат любит долгий режим работы наверно после ГВС фреон пущу в теплообменник и в отопление. Пусть дает ГВС и отопление, на ГВС по фреону поставлю параллельно соленоидный клапан, чтобы не перегревал воду в баке.
2. Надо разработать воздухоохладитель - бюджетный. Хочу попробовать от внешнего блока сплит-системы, есть пару штук (подарок от Павел Wасильевича из Технохолода).
3. Перетащить агрегат к себе домой и испытать зимой в натуре как говориться.


Проходят испытания двухкаскадного ТН - в отличии от двух ступенчатого у двухкаскадного можно применить разные фреоны, что дает возможность повысить производительность нижнего компрессора. Также двухкаскадный не имеет проблем с уравниванием масла, но себестоимость его дороже из-за дополнительного промежуточного теплообменника (испаритель-конденсатор).

Продолжение следует.