Тепловой насос своими руками

Варианты конструкции насоса Френетта

Евгений Френетт не только изобрел устройство, названное его именем, но и неоднократно его усовершенствовал, придумывая все новые, более эффективные варианты прибора.

В самом первом насосе, который изобретатель запатентовал в 1977 году, были использованы только два цилиндра:

• наружный – полый цилиндр больше диаметром и находится в статичном состоянии
• внутренний – диаметр емкости немного меньше, чем размеры полости наружного цилиндра.

В получившееся узкое пространство между стенками двух цилиндров изобретатель залил жидкое масло.  Разумеется, та часть конструкции, в которой находился этот жидкий теплоноситель, была тщательно заделана, чтобы не допустить протечек масла.

Это схема самого первого варианта теплового насоса Френетта. Вращающийся вал расположен горизонтально, теплоноситель помещен в узкое пространство между двумя рабочими цилиндрами (+)

Внутренний цилиндр соединяют с валом электродвигателя таким образом, чтобы обеспечить его быстрое вращение относительно неподвижного большого цилиндра. На противоположном торце конструкции был помещен вентилятор с крыльчаткой.

Во время работы масло разогревалось и передавало тепло воздуху, окружающему устройство. Вентилятор позволял быстро распространить теплый воздух по всему объему помещения.

Поскольку нагревалась эта конструкция довольно сильно, ради удобного и безопасного использования конструкция была спрятана в защитный корпус. Разумеется, в корпусе были сделаны отверстия для циркуляции воздуха.

Полезным дополнением к конструкции стал термостат, с помощью которого работу насоса Френетта можно было автоматизировать до некоторой степени.

Центральная ось в такой модели теплового насоса расположена вертикально. Двигатель находится внизу, затем установлены вложенные друг в друга цилиндры, а сверху находится вентилятор. Позднее появилась модель с горизонтальным расположением центральной оси.

Модель теплового насоса Френетта с горизонтально ориентированным вращающимся валом была использована вместе с радиатором отопления, внутри которого циркулировало нагретое масло (+)

Именно такое устройство впервые было использовано в сочетании не с вентилятором, а с радиатором отопления. Двигатель помещен сбоку, а вал ротора проходит через вращающийся барабан и выходит наружу.

В устройстве этого типа вентилятор отсутствует. Теплоноситель из насоса по трубам перемещается в радиатор. Подобным же образом нагретое масло можно вывести и на другой теплообменник или же прямо в трубы отопления.

Позднее конструкция теплового насоса френетта была существенно изменена. Вал ротора по-прежнему остался в горизонтальном положении, а вот внутренняя часть была сделана из двух вращающихся барабанов и помещенной между ними крыльчатки. В качестве теплоносителя здесь снова используется жидкое масло.

В этом варианте теплового насоса Френетта два цилидра вращаются рядом, они разделены крыльчаткой особой конструкции из очень прочного металла (+)

При вращении этой конструкции масло дополнительно нагревается, поскольку проходит через специальные отверстия, сделанные в крыльчатке, а затем проникает в узкую полость между стенками корпуса насоса и его ротором. Таким образом, эффективность насоса Френетта была существенно повышена.

По краям крыльчатки для теплового насоса Френетта сделаны небольшие отверстия. Теплоноситель быстро и эффективно нагревается, проходя через них (+)

Однако стоит отметить, что для изготовления в домашних условиях этот тип насоса не слишком подходит. Для начала понадобится найти достоверные чертежи или рассчитать конструкцию самостоятельно, а это под силу только опытному инженеру.

Затем понадобится найти особую крыльчатку с отверстиями подходящего размера. Этот элемент теплового насоса работает при повышенных нагрузках, поэтому он должен быть выполнен из очень прочных материалов.

Как сделать тепловой насос своими руками из старого холодильника

Прежде чем приступить к изготовлению теплового насоса, необходимо выбрать источник тепла и решить вопрос со схемой работы установки. Кроме компрессора понадобится и другое оборудование, а также инструменты.Выполнение схем и чертежей. Чтобы установить тепловой насос, необходимо сделать скважину, потому что источник энергии должен находиться под землей. Глубина скважины должна быть такой, чтобы температура земли составляла не менее 5 градусов. Для этой цели также подойдут любые водоёмы.

Конструкции тепловых насосов похожи, поэтому вне зависимости от того, каким будет источник тепла, можно использовать практически любую схему, найденную в сети. Когда схема будет выбрана, необходимо выполнить чертежи и указать в них размеры и места соединения узлов.

Так как рассчитать мощность установки достаточно трудно, можно воспользоваться средними значениями. Например, для жилого помещения, имеющего низкие теплопотери, потребуется отопительная система с мощностью 25 Вт на кв. метр. Для здания, которое хорошо утеплено, это значение составит 45 Вт на кв. метр. Если у дома, достаточно высокие теплопотери, мощность установки должна быть не менее 70 Вт на кв. метр.

Выбор нужных деталей. Если компрессор, снятый с холодильника, поломан, то предпочтительнее приобрести новый. Не рекомендуется производить ремонт старого компрессора, ведь в будущем это может негативно повлиять на работу теплового насоса.

Для изготовления прибора также будут необходимы терморегулирующий клапан и 30-сантиметровые L-образные кронштейны.
Дополнительно потребуется приобрести следующие детали:

• герметичная тара из нержавейки объёмом 120 литров;
• емкость из пластика объёмом 90 литров;
• три трубы из меди разного диаметра;
• трубы из металлопластика.

Для работы с металлическими деталями понадобятся сварочный аппарат и болгарка.

Сборка узлов и установка теплового насоса

В первую очередь следует установить на стену компрессор, используя кронштейны. Следующий шаг – работа с конденсатором. Бак из нержавейки нужно разделить на две части при помощи болгарки. В одну из половин монтируется медный змеевик, затем емкость необходимо заварить и сделать в ней резьбовые отверстия.

Чтобы изготовить теплообменник, нужно намотать на емкость из нержавейки медную трубу и закрепить концы витков рейками. Присоединить к выводам сантехнические переходы.

К баку из пластика также необходимо прикрепить змеевик – он будет выполнять роль испарителя. Затем закрепить его на участке стены при помощи кронштейнов.

Как только работа с узлами будет окончена, нужно подобрать терморегулирующий клапан. Конструкцию следует собрать и заправить систему фреоном (для этой цели подойдет марка R-22 или R-422).

Подсоединение к заборному устройству. Вид устройства и нюансы подсоединения к нему будут зависеть от схемы:

• «Вода-земля». Следует установить коллектор ниже линии промерзания земли. Необходимо, чтобы трубы находились на таком же уровне.
• «Вода-воздух». Такую систему устанавливать легче, так как нет необходимости в бурении скважин. Коллектор монтируется в любом месте около дома.
• «Вода-вода». Коллектор изготавливается из металлопластиковых труб, а после помещается в водоём.

Также можно установить для обогрева дома комбинированную отопительную систему. В такой системе тепловой насос работает одновременно с электрическим котлом и используется как дополнительный источник отопления.

Тепловой насос для обогрева дома вполне можно собрать самостоятельно. В отличие от покупки готовой установки, это не потребует больших финансовых затрат, а результат обязательно порадует.

Из композитных труб

Для того, чтобы сделать самодельное нагревательное устройство из металлопластиковых труб нам понадобится:

• Брус из дерева 50*50 мм 20 м.
• Листовая фанера 15 мм 2,5 кв.м.
• Труба металлопластиковая 55 м.
• Крепежи для труб 80 шт.
• Уголок «папа-мама» 30 шт.
• Уголок «мама-мама» 31 шт.
• Переход на штуцер 53 ед.
• Выпускной клапан 1 ед.
• Тройник 3 ед.
• Кран для слива 2 ед.
• Обратный клапан 1 шт.
• Листовой металл 2,5 кв.м
• Профиль из алюминия 1300 мм 4 шт.
• Уголок металлический 65 ед.
• Стекло.
• Черная матовая краска.
• Доска 25*100 4,5 м
• Гидроизоляция 5 м.кв.
• Песок.
• Плотная уличная плитка 5 м.кв.

Выбирая место установки нагревателя воды, необходимо учесть тот факт, что расположение должно быть южным, таким образом, продолжительность нагрева жидкости днем будет максимальной. На выбранном месте снимите верхний слой почвы, и сделайте подушку из песка и гравия, утрамбуйте её, затем положите плитку.

При помощи бруса постройте каркас, соедините его металлическими уголками. Затем сбейте раму из бруса, лицевую сторону обшейте листовой фанерой, заднюю стену для надежности конструкции укрепите брусом набив его продольно и поперечно, скрепив между собой уголками. С помощью специальных уголков крепятся доски с прорезями для стекла.

Установите его на каркасе. На основание из фанеры прикрепите металлические листы, затем произведите покраску всей конструкции черной матовой краской. Сделайте разметку для труб, необходимо соблюсти расстояние 40 мм. Установите крепления и произведите сборку (трубы необходимо заранее разрезать), при помощи штуцеров и уголков собирается змеевик.

Просверлите два технологических отверстия для труб и на концах установите тройники, подсоедините полностью все схему водовода и проведите испытания. Если течи нигде не обнаружено, покройте трубы краской. В случае обнаружения течи, устраните её при помощи ленты герметика.

Солнечный коллектор из гибких шлангов

Далее соберите каркас при помощи алюминиевого профиля. Произведите нарезку стекла, его периметр промажьте герметиком и вставьте в отверстия на профиле, закрепите его с помощью специальных зажимов.

Другие виды тепловых насосов

Кроме тепловых насосов, в которых используется тепловая энергия грунта и воды существуют конструкции, в которых используется энергия окружающего воздуха. В принципе, они отличаются тем, что в них отсутствует внешний контур (трубопровод), а роль теплоносителя в испарителе выполняет наружный воздух, нагнетаемый вентилятором. По такому принципу работают сплит-системы — кондиционеры, которые могут работать не только на охлаждение, но и нагрев помещения. Преимуществом таких систем является то, что нет необходимости устраивать внешний контур из трубопровода и укладывать его в грунт, скважину или водоем. Главным же недостатком является невозможность использования при температуре воздуха ниже 0ºС.

Критерии выбора

На первый взгляд кажется сомнительной необходимость трудоемкой укладки на дно водоема нескольких сотен метров пластиковых труб или еще более затратного бурения скважин для ТН типа вода-вода. Ведь существуют системы типа воздух-воздух. Там внешний коллектор вообще отсутствует. Например, у очень качественного японского инверторного ТН воздух-вода производства компании Mitsubishi Heavy .

Все просто — плотность воды в 800 раз больше, чем воздуха. И тепла тоже. Поэтому эффективность и экономика у водяных систем всегда будет больше, чем у Мицубиси .

Расчет мощности

Для предварительных расчетов обычно используют упрощенную формулу: на 10 м2 отапливаемого здания требуется 700 Ватт тепла. Тогда для дома площадью 250 м2 нужно купить тепловой насос вода-вода мощностью 175 кВт.

Для обеспечения горячего водоснабжения итоговую цифру нужно увеличить на 15 %.

При этом не учитывается большая разница между климатическими зонами, например, Крыма и Московской области. Теплопотери внешних ограждающих конструкций разных зданий тоже сильно отличаются. Есть другие факторы, которые обязательно надо учитывать в расчете. Это могут сделать только специалисты.

Особенности тепловой системы воздух-вода

Тепловой насос, которому посвящена эта статья, в отличие от других модификаций подобного устройства (в частности, вода-вода и грунт-вода), обладает рядом достоинств:

• экономит электричество;
• для установки не потребуются масштабные земельные работы, бурение скважин, получение специальных разрешений;
• если подключить систему к солнечным батареям, то можно обеспечить полную ее автономность.

Веское преимущество тепловой системы, извлекающей энергию ветра и передающей ее воде, заключается в стопроцентной экологической безопасности.

Перед тем, как приступать к конструированию насоса, необходимо выяснить, в каких случаях система проявляет себя максимально эффективно, а когда ее использование нецелесообразно.

Тепловая насосная система, извлекающая энергию из воздушной массы, может использоваться для подогрева всех видов теплоносителей, применяющихся на территории СНГ: воды, воздуха, пара

Специфика применения и работы

Тепловой насос продуктивно работает исключительно в температурном диапазоне от -5 до +7 градусов. При температуре воздуха от +7 система будет вырабатывать больше тепла, чем необходимо, а при показателе ниже -5 – недостаточно для обогрева. Это связано с тем, что концентрированный фреон, находящийся в конструкции, закипает при температуре -55 градусов.

Теоретически система может вырабатывать тепло и в 30-градусный мороз, но его будет недостаточно для обогрева, ведь теплопроизводительность напрямую зависит от разности температуры кипения хладагента и температуры воздуха.

Поэтому жителям Северных регионов, где холода наступают раньше, эта система не подойдет, а в домах Южных областей она сможет эффективно прослужить несколько холодных месяцев.

Если в помещении установлены стандартные батареи, то тепловой насос будет работать менее эффективно. Лучше всего устройство воздух-вода сочетается с конвекторами и иными радиаторами с большой площадью, а также с системами «теплый пол», «теплые стены» водного типа.

Также само помещение должно быть хорошо утеплено снаружи, обладать встроенными многокамерными окнами, обеспечивающими лучшую теплоизоляцию, чем обычные деревянные или пластиковые.

Тепловой насос лучше всего взаимодействует с водяной системой «теплый пол», не требующей нагрева теплоносителя свыше 40 – 45º С

Самодельный тепловой насос сможет эффективно обогревать дома площадью до 100 кв. м и гарантировано выдавать мощность в 5 кВт. Следует понимать, что фреон невозможно залить достаточно качественно в конструкцию, созданную в бытовых условиях, поэтому следует рассчитывать на температуру его кипения до -22 градусов.

Устройство домашней сборки идеально подойдет для снабжения теплом гаража, теплицы, подсобных помещений, небольшого частного бассейна и др. Система обычно используется в качестве дополнительного обогрева.

Электрокотел или иное традиционное оборудование для отопительного сезона потребуется в любом случае. Во время сильных морозов (-15-30 градусов) тепловой насос рекомендуется выключать, чтобы избежать растрат электроэнергии, ведь в этот период его эффективность составляет не больше 10%.

Тепловые насосы поставляют достаточное количество энергии для обогрева воды в крытых частных бассейнах (+)

Принцип действия системы

Рабочее вещество в конструкции – воздух. Через наружный блок, устанавливающийся на улице, кислород по трубам поступает в испаритель, где взаимодействует с хладагентом.

Фреон под действием температуры становится газообразным (поскольку закипает при -55 градусах) и в нагретом виде под давлением поступает в компрессор. Устройство сжимает газ, тем самым увеличивая его температуру.

Горячий фреон поступает в контур накопительного бака (конденсатора), где происходит отдача тепла воде, которую впоследствии можно использовать для организации отопления и ГСВ. В конденсаторе фреон лишается только части своего тепла, и все еще находится в газообразном состоянии.

Проходя через дроссель, хладагент распрыскивается, в результате чего его температура понижается. Фреон становится жидким и в таком виде переходит в испаритель. Цикл повторяется.

На рисунке схематически показана реализация принципа элементарного теплового насоса, разделенного компрессором и расширителем на два контура – высокого и низкого давления

Желающим самостоятельно соорудить тепловой насос из бросовых материалов и отслужившей техники, к примеру, из старого холодильника, поможет информация, изложенная в рекомендуемой нами статье.

НОВОГОДНИЙ ВЫПУСК HOUSECHIEF

Изготовление испарителя и конденсатора

Можно купить уже готовые теплообменники как для испарителя (под низкое давление), так и для конденсатора (с давлением до 25 бар). Но дешевле их изготовить из медной трубки для кондиционеров (которая предназначена именно для работы с хладагентами при высоком давлении) и подручных емкостей.

Важно! Сантехническая медная труба не такая «чистая» и гибкая. Ее хуже паять и вальцевать при монтаже. Рассчитывают площадь поверхности теплообменника, которая прямо пропорциональна мощности тепловыделения и обратно пропорциональна разнице температур теплоносителей на входе и выходе каждого подключаемого контура (грунтового и системы отопления)

Рассчитывают площадь поверхности теплообменника, которая прямо пропорциональна мощности тепловыделения и обратно пропорциональна разнице температур теплоносителей на входе и выходе каждого подключаемого контура (грунтового и системы отопления).

Зная диаметр трубы и площадь поверхности, определяют длину каждого змеевика для испарителя и конденсатора.

Емкость для конденсатора лучше сделать из нержавейки (температура входящих паров фреона может быть довольно высокая):

• взять готовый бак подходящей емкости (чтобы поместилась спираль из медной трубки);
• разместить в нем змеевик (вход вверху, выход внизу);
• вывести концы медной трубки для подключения к компрессору и ТРВ (пайкой или фланцем);
• сделать в баке врезку переходников для подключения труб системы отопления;
• заварить крышку.

Испаритель работает на более низких температурах, поэтому для него можно взять более дешевую пластиковую емкость, в которую врезают переходники для подключения к грунтовому контуру. Он также отличается от конденсатора расположением змеевика теплообменника — вход (жидкая фаза фреона от ТРВ) снизу, выход на компрессор сверху.

Выбор вида теплонасоса

Сделать своими руками тепловой насос воздух-вода значительно проще в сравнении с грунтовыми либо водяными. Вполне очевидно, что каждый домашний мастер хочет минимизировать затраты на производство. В самодельных теплонасосах используется минимальное количество дорогостоящих деталей. Часто домашние мастера применяют для этого комплектующие от старого холодильника или кондиционера. В такой ситуации добиться высокого показателя СОР просто невозможно, и созданный своими руками ТН будет уступать заводским агрегатам в производительности.

Таким образом, создавать воздушный насос не имеет смысла, а лучше воспользоваться сплит-системой, включив ее в режим обогрева. Для отопления жилых помещений с помощью водяных теплонасосов либо вида «воздух-вода», необходимо создать геотермальную систему. При использовании насоса первого типа показатель СОР составит 3−3,5. Применение ТН «воздух-вода» не позволит добиться СОР выше 2,2.

Если было принято решение изготовить водяной тепловий насос, то нужно следовать рекомендациям:

• колодец располагается на расстоянии в 25−50 метров от дома;
• водоем должны обладать достаточным запасом воды.

Рассчитать необходимое количество грунтовых вод для работы ТН несложно. Во время работы агрегата их температура падает примерно на 4−5 градуса. Таким образом, для производства 1 кВт теплоэнергии через теплонасос должно в протяжении 60 минут проходить порядка 170 л воды.

Принцип работы и составные части теплового насоса

В принципе, работа теплового насоса представляет собой совместное функционирование трех замкнутых контуров, которые взаимодействуют между собой:

•  Первый, по которому циркулирует теплоноситель, забирающий тепловую энергию из низкотемпературной окружающей среды (почвы, воды, воздуха);
•  Второй, в котором циркулирует жидкость с низкой температурой испарения (например, фреон), забирает эту энергию, с помощью процессов испарения и конденсации увеличивает температуру и отдает тепло третьему контуру;
•  Третий контур представляет собой ни что иное, как систему отопления дома (чаще всего теплые полы), он забирает тепловую энергию из конденсатора и отдает помещению.
• По такому принципу работают все тепловые насосы, но в устройствах типа «грунт, вода/вода» в первом и третьем контурах жидкий теплоноситель, в устройствах «воздух/вода» — вместо первого контура наружный воздух, а в устройствах «воздух/воздух» и вместо первого и третьего контуров воздух наружный и помещения соответственно.

Для того чтобы такая система работала необходимы такие основные элементы:

• Испаритель –в котором под воздействием тепловой энергии теплоносителя первого контура , через теплообменник, происходит нагревание и испарение жидкого хладагента (фреона);
• Компрессор, который сжимает парообразный хладагент (при этом происходит выделение тепловой энергии);
• Конденсатор, в котором теплый сжатый хладагент с помощью теплообменника отдает свою энергию теплоносителю третьего контура, а сам конденсируется (превращается в жидкость).
• Терморегулирующий вентиль или клапан (ТРВ).

Все эти элементы соединены между собой герметичным трубопроводом второго контура. Испаритель, кроме того, должен иметь возможность подсоединения к первому контуру, а конденсатор – к системе отопления дома.

Рис. 1 Основные элементы теплового насоса

Из опыта эксплуатации сделанного своими руками теплового насоса

Как показала практика использования, производительность представленного варианта невелика: 2,6-2,8 кВт. Говорить о высокой эффективности данного теплового насоса не приходится: на площади 60 м2 при -5 oC на улице, сам он поддерживает +17oC. Но система считалась и монтировалась под котел — радиаторы, при входящей температуры +45oC, больше выдать просто не могут. Система в доме работала старая и количество радиаторов не увеличено, но пока в холода догревались печкой.

Если в конструкцию добавить регенеративный теплообменник, это повысит эффективность на 10-15%. Учитывая то, что затраты невелики, можно делать. Понадобиться две медные трубки по 1,5 метра. Одна диаметром 22 мм, вторая — 10 мм. На более тонкую для увеличения площади теплообмена, наматывается 4-х жильный проводник (длина 3-4 метра, диаметр 4 мм), концы его припаиваются к трубке, чтобы не разматывались. Трубка с намотанной проволокой аккуратно вставляется в трубку большего диаметра. Ее нужно установить между компрессором и испарителем. Доработка незначительная, но довольно ощутимо повышает эффективность. Правда, при определенных условиях небезопасная: в компрессор может попасть теплый фреон, что приведет к выходу его из строя.

Доработка схемы: можно добавить регенеративный теплообменник, что поднимет производительность примерно на 15-20%

Второй вариант повышения эффективности, более безопасный и не менее эффективный — встроить дополнительный теплообменник для подогрева воды или гликоля.

На что обратить внимание, если вы решили делать тепловой насос своими руками. Есть несколько вещей, о которых узнать можно только на опыте:

• • Пусковые токи конкретно этой установки были очень даже приличными. Не всегда ресурсов сети хватало для запуска установки. Потому, если делать серьезную установку, лучше брать трехфазный компрессор, и подводить, соответственно, трехфазный ввод. Да, недешево, но для стабильного старта однофазного компрессора требуется электронный стабилизатор приличной мощности, что тоже дешевым не назовешь.
  • Тепловой насос на готовой радиаторной системе не даст нормальной температуры в помещении. Они рассчитаны на другую температуру теплоносителей, которую эти установки, тем более самодельные, дать в состоянии крайне редко. Потому или модернизируйте систему (добавив как минимум столько же секций радиаторов), или устанавливайте водяные полы.
  • Если в колодце есть три кольца воды, это не значит, что дебет у него большой. Нужно знать, сколько он в состоянии давать воды при постоянном ее отборе.