(7 голосов, среднее: 2 из 5)

Тепловой насос из старого холодильника: принцип действия, схема сборки

Дата публикации: 10 июня 2019

Содержание

• Как работает тепловой насос из холодильника
• Как сделать тепловой насос из холодильника своими руками

Постоянный рост стоимости отопления заставляет искать альтернативные способы получения тепловой энергии и горячей воды. Если в вашем распоряжении имеется ненужный холодильник, можно решить проблему с минимальными затратами, а именно – сделать тепловой насос. Он не нуждается в дорогостоящем топливе, имеет низкую энергоемкость и при этом отлично справляется с обогревом помещений в холодное время года.

Как работает тепловой насос из холодильника

Принцип действия теплового насоса – перенос тепла из окружающего пространства во внутренние помещения дома. Источником тепловой энергии служат грунт, вода и атмосфера. Потребляя незначительное количество электричества, насос переправляет тепло с улицы в дом, тем самым способствуя повышению температуры воздуха в комнатах. Поскольку именно это устройство является главным рабочим элементом альтернативной системы отопления, его проектирование и расчет требуют особого внимания.

Основные элементы конструкции насоса – это:

• Испаритель – первый элемент системы, принимающий тепло из внешних источников энергии.
• Компрессор – промежуточное звено системы.
• Дроссельный клапан, подающий хладагент в испаритель.
• Конденсатор, где тепловая энергия переходит в контур отопительной системы.
• Редукционный клапан, подающий хладагент в испаритель для прохождения повторного рабочего цикла.

Последовательность действия теплового насоса состоит в следующем:

• Полученное от источников энергии низкопотенциальное тепло поступает в испаритель через теплоносители, способные выдерживать экстремально низкие температуры.
• Тепловая энергия передается теплоносителю, циркулирующему по трубам внутри системы.
• В компрессоре под действием высокого давления хладагент нагревается и затем поступает в конденсатор, где тепловая энергия подается в систему отопления. А хладагент, температура которого резко снизилась, повторно попадает в испаритель для нагрева и дальнейшей циркуляции по системе.

Обратите внимание: тепловой насос не поглощает и не использует получаемое и передаваемое тепло. Как было указано выше, для работы ему необходимо лишь небольшое количество электроэнергии, затраты на которую компенсируются за счет бесплатного тепла. Поэтому эффективность работы устройства сохраняется на самом высоком уровне.

Как сделать тепловой насос из холодильника своими руками

Превратить старый холодильник в недорогой и эффективный тепловой насос несложно. Тем более что в нем уже имеются рабочий конденсатор и компрессор, которые остается правильно подключить в единую систему.

• Конденсатор в виде змеевика, расположенный на задней стене холодильника, демонтируется.
• Затем его устанавливают в емкость, стенки которой отличаются высокой прочностью и способны выдерживать высокую температуру окружающей среды в течение длительного времени. Сделать это несложно: емкость разрезается, в нее устанавливается змеевик конденсатора, после чего емкости возвращают прежний внешний вид, сварив ранее разрезанные швы.
• На емкости устанавливается компрессор из старого холодильника. Важно, чтобы он находился в исправном состоянии. Иначе стоит приобрести другой компрессор – снять с другого холодильника или приобрести в мастерской по ремонту бытовой техники.
• С ролью испарителя справится пластиковая бочка. Желательно подобрать модель с толстыми стенками, чтобы исключить растрескивание и разгерметизацию бочки через непродолжительное время после начала эксплуатации.
• Все перечисленные выше элементы подключаются между собой и присоединяются к системе отопления с помощью пластиковых труб подходящего диаметра.

После того как все комплектующие подключены и проверены на качество соединения, в новое устройство можно закачивать фреон. Придется воспользоваться помощью сторонних специалистов, т.к. выполнить эту работу самостоятельно, не имея на руках подходящих инструментов и оборудования, не представляется возможным.

Тепловой насос, созданный своими руками из старого холодильника, отлично подойдет на роль системы отопления на дачах, в гаражах или в хозяйственных постройках, где невозможно или нецелесообразно пользоваться услугами центрального отопления. Некоторые умельцы могут пойти еще дальше и приспособить корпус старого холодильника под радиатор. Два воздуховода на входе и на выходе из камеры будут подавать теплый воздух и отводить его для повторного нагревания. Таким образом, ненужная бытовая техника получит вторую жизнь.

В чем разница между тепловым насосом и холодильником?

Представьте себе, что вам приходится каждый день пить прохладное молоко вместе с утренней тарелкой хлопьев или несколько дней обходиться без молока в холодильнике из-за пропущенной доставки. В прошлом сохранение продуктов в прохладном месте было повседневной заботой домохозяйств, которые надеялись избежать пищевых отравлений и пищевых отходов. К счастью, большинству из нас не приходилось беспокоиться об этом с 1920-х годов.

А теперь представьте, что вам придется несколько дней обходиться без топлива из-за задержки доставки. Звучит знакомо? В печально известные холодные зимы северо-востока Америки удобный, надежный и недорогой источник тепла для вашего дома должен быть нормальным явлением, таким же нормальным, как холодильник в каждом доме. К сожалению, это не так.

Согреться зимой по-прежнему повседневная забота американских домохозяйств, несмотря на то, что технология хорошо изучена и хорошо себя зарекомендовала, и несмотря на то, что технология широко используется в бытовых холодильниках.

В этом сообщении блога мы обсудим, как холодильники и геотермальные тепловые насосы используют одну и ту же технологию для обеспечения современных удобств для вас и ваших близких.

Скорее всего, вы заметили, что стоять рядом с холодильником в жаркий день далеко не идеально. Если вы засунете руку за холодильник, вы действительно почувствуете, как тепло выделяется из конденсатора, когда вентилятор обдувает его воздухом из вашего дома! Это потому, что холодильник работает, передавая тепло изнутри вашего холодильника наружу, делая вашу еду холодной, а ваш дом теплым.

Смесь хладагентов, протекающая через холодильник, поглощает тепло продуктов, проходя через контуры испарителя внутри холодильника. Этот компонент называется испарителем, потому что дополнительное тепло заставляет хладагент превращаться в пар.

Затем компрессор холодильника сжимает пары хладагента, принудительно выдавливая его в небольшое пространство. Как вы, возможно, узнали на уроках химии в старшей школе, вы можете увеличить температуру и давление газа, просто сжимая его, так что теперь хладагент становится очень горячим.

Наконец, он проходит через более просторные контуры конденсатора снаружи вашего холодильника, где очень горячий хладагент расширяется и вступает в контакт с относительно прохладным воздухом вашего дома. Хладагент охлаждается, передавая тепло, которое он унес от продуктов в вашем холодильнике, в ваш дом, а затем цикл может начаться снова.

Хотите верьте, хотите нет, но тепловые насосы работают почти так же, как холодильники. Проще говоря, тепловые насосы Dandelion извлекают тепло из земли, чтобы обогревать ваш дом зимой, и отводят тепло из вашего дома в землю, чтобы охлаждать его летом.

Заземляющие контуры, зарытые в вашем дворе, содержат раствор на водной основе, который поглощает тепло земли. Этот теплый раствор циркулирует в тепловом насосе, который переводит раствор из жидкого состояния в газообразное. Компрессор сжимает водяной пар, заставляя его нагреваться.

Между тем, тепловой насос в вашем доме содержит смесь хладагентов внутри контура, очень похожего на контуры вашего холодильника. Теплообменник помогает передавать тепло от горячего сжатого пара из контуров заземления к относительно холодной смеси хладагентов при комнатной температуре.

Нагретая смесь хладагентов возвращает тепло обратно в ваш дом, передавая тепло воздуху. Только что нагретый воздух нагревает ваш дом, проходя по воздуховодам, и цикл продолжается.

В системе с «замкнутым контуром» ничего не входит и ничего не выходит — смесь внутри контуров просто циркулирует вверх и вниз для передачи тепла. Между тем, системы «открытого цикла» требуют постоянной подачи воды.

Ваш холодильник работает по системе замкнутого цикла, потому что его легко обслуживать – вам никогда не придется беспокоиться о пополнении смеси, потому что она никогда не закончится! Точно так же вам никогда не придется беспокоиться о пополнении контуров заземления вашего теплового насоса Dandelion большим количеством воды, потому что все остается внутри системы с замкнутым контуром.

Использование замкнутых систем не только намного проще, но и намного безопаснее. Смесь хладагентов внутри вашего холодильника никогда не загрязняет продукты, а смесь воды внутри контуров заземления теплового насоса никогда не загрязняет грунтовые воды под вашим домом.

Замкнутые системы также имеют дополнительное преимущество. Закон идеального газа говорит нам, что давление, объем и температура газов связаны между собой, а поскольку объем смеси внутри системы с замкнутым контуром никогда не меняется, то температура и давление становятся косвенно пропорционально связаны. Другими словами, это позволяет легко манипулировать смесью внутри контуров испарителя вашего холодильника или внутри контуров заземления вашего теплового насоса: мы просто сжимаем смесь, чтобы нагреть ее, или расширяем, чтобы охладить ее! Таким образом, по мере того, как смесь внутри контура нагревается, она также поглощает тепло и охлаждает свое окружение.

Независимо от климата и погоды температура под землей остается неизменной, а наука о передаче тепла остается неизменной. Точно так же, как холодильники хорошо работают в теплом и холодном климате , тепловые насосы тоже работают хорошо.

Распространенное заблуждение относительно геотермальных тепловых насосов состоит в том, что у них нет шансов пережить суровую холодную зиму северного климата. Интересно, что люди обычно не задаются вопросом, как холодильники сохраняют продукты прохладными в жарком южном климате. Прочитав этот пост в блоге, вы, надеюсь, поняли, как работают холодильники во Флориде и геотермальная энергия в Нью-Йорке.

Подходит ли геотермальная энергия для вашего дома?

КПД теплового насоса холодильника

Раньше мы жили в Онтарио, где газовое отопление относительно недорогое. так что другие варианты отопления не стоит рассматривать.

Однако, переехав в Нью-Брансуик в 2018 году, хотя у нас здесь есть природный газ, в пересчете на произведенное тепло это всего на 15-20% дешевле электроэнергии.

Но насколько они эффективнее обычного электрического отопления? Я подумал, что было бы неплохо поэкспериментировать, и понял, что у нас уже есть аналогичный тепловой насос в нашем холодильнике, так почему бы не проверить это?

Я купил несколько умных розеток TP-link HS110, которые могут выполнять мониторинг энергии, и относительно легко контролировать и контролировать с помощью простых скриптов Python с ПК (никаких «облачных» материалов не требуется). Я могу использовать это, чтобы контролировать, сколько энергии использует холодильник. Я также поставил несколько датчиков температуры DHT22, подключенных к компьютер Raspberry Pi внутри холодильника и морозильной камеры для контроля температуры во время эксперимент. Компьютер Raspberry Pi записывает температуру, влажность и мощность расход каждую минуту.

Слева — график стационарного состояния работающего холодильника.

Обозначение графика:
Темно-фиолетовый: Потребляемая мощность (Ватт)
Желтый: Относительная влажность в морозильной камере (%)
Голубой: Относительная влажность в холодильной камере (%)
Фиолетовый: Температура в холодильнике (°C)
Синий: Температура в морозильной камере (° C)
Время указано в минутах.

Темно-фиолетовая линия показывает, что холодильник работает с рабочим циклом 42%. Во время бега, он потребляет более 100 Вт, но средняя мощность с течением времени составила всего 45 Вт.

Следующий эксперимент заключался в том, чтобы поместить в холодильник 60-ваттную лампочку накаливания. Эта лампочка также подключена к умной розетке TP-Link HS110 для контроля

Цель состояла в том, чтобы увидеть, насколько больше энергии потребуется холодильнику, чтобы откачивать тепло. что добавляет 60-ваттная лампа накаливания.

Результаты работы с 60-ваттной лампочкой.
Коричневая линия показывает мощность лампочки. Эта линия зигзагами вверх и вниз сначала потому что у меня была прерывистая связь с лампочкой. я открыл холодильник примерно на 32-й минуте на этом графике, чтобы закрутить лампочку потуже. Это привело к дополнительный воздух попадал в холодильник, который был более влажным, поэтому относительная влажность (желтый) появляется при открытии холодильника. Температура (фиолетовый) также немного поднялась с открытие холодильника.

В течение следующих 55 минут я видел, как температура в холодильнике медленно поднималась, при этом компрессор холодильника работал постоянно (темно-фиолетовая линия показывает потребляемая мощность холодильника всегда превышает 100 Вт)

Таким образом, 60 Вт — это больше тепла, чем может выдержать компрессор холодильника. Так Я снова открыл холодильник и заменил его на 40-ваттную лампочку примерно на 86-й минуте. После этого температура упала всего на несколько градусов, но компрессор никогда не выключай.

Я хотел, чтобы мое сравнение было с холодильником, работающим в установившемся режиме, когда компрессор по-прежнему включается и выключается, поэтому я заменил 40-ваттную лампочку на лампочка накаливания на 17 ватт.

Но вскоре после этого холодильник потреблял более 400 Вт в течение примерно 15 минут. Обратите внимание на другой масштаб на графике слева. 400-ваттный период был цикл разморозки холодильника. Всякий раз, когда воздух охлаждается, влага может конденсироваться из воздуха. Если воздух охлаждается ниже точки замерзания, этот конденсат превращается в сублимацию прямо в лед, вызывая нарастание льда на охлаждающем элементы. Для плавления этого вещества требуется периодический нагрев охлаждающих элементов. лед, или он в конечном итоге забивает охлаждающий элемент.

После цикла разморозки компрессору необходимо запустить очень длинный цикл, чтобы снова остыть.

Поэтому я подождал, пока холодильник не перейдет в устойчивое состояние через некоторое время после этого.

С лампой, добавляющей холодильнику 16,9 Вт тепла, рабочий цикл компрессора составил 69%. Потребляемая мощность компрессора во время работы была примерно такой же, как и раньше, но с увеличением рабочего цикла среднее энергопотребление холодильника теперь было 71 Вт.

Слева — диаграмма, показывающая энергопотребление во время моих экспериментов. (все предыдущие графики являются сегментами этого графика)

Вы можете скачать мою таблицу: холодильник.zip

И вот результаты:

Дополнительные 16,9 Вт от лампочки увеличили рабочий цикл холодильника с 42% до 69%. и увеличили среднее энергопотребление холодильника на 25,58 Вт. Это означает, что каждый дополнительный ватт, который использовал холодильник, мог выкачивать 0,662 Вт. тепла от холодильника.

Немного разочаровывает. Я думал, что тепловой насос холодильника сможет откачать по крайней мере, ватт тепла на каждый ватт, который он использовал.

Но холодильник работает в непростых условиях для теплового насоса, т. к. охлаждает морозильник до -20°C (-4°F). Тепловые насосы для отопления дома так не работают хорошо, когда им нужно получить тепло от наружного воздуха, который настолько холоден.

Но даже если тепловой насос холодильника извлекает только 0,66 Вт с холодной стороны на каждый ватт потребляемой энергии. электроэнергии, общее количество тепла в помещении равно 1 + 0,66, так как вся потребляемая электроэнергия также превращается в тепло в помещении, поэтому представьте, что вместо охлаждения внутри холодильника, это охлаждало снаружи, коэффициент полезного действия был бы 1,66, или около 1,66 Вт тепла на каждый ватт потребляемой электроэнергии.

Но отопительные тепловые насосы как минимум в 20 раз мощнее, и есть определенная экономия масштаб, который идет с этим. Поэтому я ожидаю, что тепловой насос для отопления дома будет более эффективным.

Однако одну вещь я не учел, это периодические циклы разморозки, необходимые, когда температура воздуха становится ниже нуля. Я намеренно избегал включения тех, что в холодильнике поэкспериментируйте, иначе мне пришлось бы делать гораздо более длительные прогоны, потому что разморозка происходит только примерно каждые 24 часа. И в холодильнике, вероятно, будет меньше конденсата, чем нагревательный тепловой насос, потому что воздух в холодильнике со временем становится очень сухим, тогда как наружного воздуха намного больше с неограниченным запасом влаги.

Но даже в этом случае теплота, необходимая для плавления льда, составляет лишь около 20 % теплоты, высвобождается, когда влага сублимируется из паров воздуха в лед. И не все тепло, извлекаемое извне, является результатом конденсации, поэтому циклы оттаивания являются относительно второстепенным фактором. Тем не менее, никакая энергия, используемая для размораживания, не попадает в дом, так что с точки зрения отопления, это энергия полностью потрачена впустую.

С КПД откачки тепла всего 0,66 и средней потребляемой мощностью 45 ватт, это говорит о том, что около 30 ватт тепла попадает в холодильник через стены на все времена. Принимая во внимание площадь стены холодильника и разницу температур в холодильнике и морозильной камере с учетом этого можно предположить, что изоляция стен холодильника составляет около R20, что кажется вроде высоко для холодильника, так что я не уверен, что это правильно.

Я провел еще один эксперимент, накрыв холодильник несколькими теплыми одеялами. Это уменьшило энергопотребление холодильника в установившемся режиме всего на 10%, поэтому можно предположить, что холодильник шумоизоляция вполне хорошая.

Глядя на характеристики этого теплового насоса слева (щелкните изображение, чтобы увеличить), мы можем вычислить:

208 Вольт * 11,9 Ампер = 2475 Вт
1600 БТЕ/ч = 4689 Вт

4689 Вт на выходе / 2475 Вт на входе = 1,89

Таким образом, по этим характеристикам тепловой насос имеет коэффициент полезного действия 1,89., или будет обеспечивает 1,89 Вт тепла на каждый потребляемый ватт. Но производительность очень функция внутренней и наружной температуры, и я не знаю, какая наружная температура что предполагает.

Но поиск в Google по запросу «коэффициент производительности теплового насоса Fujitsu» приводит к ссылке:

[PDF] Отчет о лабораторных испытаниях Fujitsu 12RLS и Mitsubishi … – NREL

Там интересные цифры. Относительные потери из-за циклов разморозки действительно относительно небольшой, и COP около 2 достижим, даже если на улице около -20 ° C.
Но действительно ли тепловой насос того стоит? Если у вас уже есть электрическое отопление, это высокая начальная стоимость что потребуются годы, чтобы окупить себя. А пока электрическое отопление бесшумно, надежно, и именно там, где вам это нужно, и нет риска поломки. Я думаю, мы должны получить тепловой насос для нашего дома в конечном итоге, но с учетом капитальных затрат, срока службы и других вопросов, это не большая победа – если только вы не используете тепловой насос для охлаждения своего дома. По моим оценкам, мы бы экономили максимум 1000 долларов в год на систему, которая может стоить нам 10 000 долларов.