Como funciona uma bomba de calor água-água e faça você mesmo

Características do equipamento

Nos anos setenta na América, o notável inventor Eugene Frenette mostrou ao mundo sua criação - a bomba de calor Frenette, em homenagem ao seu descobridor.

É notável principalmente pelo fato de que a eficiência excede 100%. Alguns acreditam em 700 e 1000 por cento, mas os céticos que operam com leis físicas não os apoiam - isso é, afinal, um exagero.

O escopo da bomba Frenett não se limita aos alojamentos. Foi usado com sucesso na produção.

Ao mesmo tempo, este dispositivo era muito popular, então os entusiastas estudaram seu circuito, melhorando cada vez mais o design da bomba de calor.

O princípio básico ainda não mudou: o criador do dispositivo ofereceu uma invenção simples, mas engenhosa em sua simplicidade. Tudo é baseado na liberação de calor devido ao atrito.

Quando ele introduziu a bomba de calor Frenette, o esquema era o seguinte:

• Dois cilindros de excelente tamanho: um menor em um maior. Óleo no meio.
• Um pequeno motor é equipado de um lado com um ventilador, do outro - com um motor (motor elétrico).
• A caixa exterior implicava ranhuras para o ar e o termóstato optimizava o funcionamento da instalação.

Agora vamos descobrir como esta unidade funcionava aproximadamente, que em seu design difere da maioria dos dispositivos climáticos familiares e familiares para nós.

A rotação do pequeno cilindro aquece o óleo. O ventilador circula ar quente na sala.

Apesar de esse sistema ser chamado de bomba de calor, a máquina Frenett coincide com a representação correta desse termo apenas na função de aquecedor.

A bomba de calor deve funcionar de acordo com o princípio inverso de Carnot, convertendo o baixo potencial do ambiente em um alto potencial de energia térmica. Aqui não existe isso.

Muitos tentaram transformar a invenção, inclusive seu próprio criador. Portanto, você pode encontrar diferentes tipos de bomba Frenett.

As diferenças estruturais das nuances acima, por exemplo, podem ser as seguintes:

O tambor com cilindros está na posição horizontal, um eixo passa pelo centro, cuja extremidade se projeta para fora. Não há ventilador, geralmente é substituído por um radiador ou o refrigerante é fornecido diretamente ao sistema

É importante garantir a estanqueidade da instalação. Vista de dois tambores com um impulsor entre eles. O óleo aquecido é ejetado do rotor para o espaço entre o rotor e a carcaça da bomba, garantindo o máximo desempenho.
Tipo não padronizado de bomba Frenett, desenvolvido por cientistas de Khabarovsk

O óleo é substituído por água, a base é um elemento de cogumelo.O vapor formado durante o aquecimento e a ebulição se move pelos canais a uma velocidade de até 135 metros por minuto. Este design é capaz de existir sem o fornecimento de energia do exterior. É usado apenas para fins industriais.

O óleo aquecido é ejetado do rotor para o espaço entre o rotor e a carcaça da bomba, garantindo o máximo desempenho.
Tipo não padronizado de bomba Frenett, desenvolvido por cientistas de Khabarovsk. O óleo é substituído por água, a base é um elemento de cogumelo. O vapor formado durante o aquecimento e a ebulição se move pelos canais a uma velocidade de até 135 metros por minuto. Este design é capaz de existir sem o fornecimento de energia do exterior. É usado apenas para fins industriais.

Tecnologia de montagem de bomba de calor

Considere em detalhes o esquema de criação e montagem:

1. Realizamos o cálculo da bomba. Isso pode ser feito usando uma calculadora especial que correlaciona a área das instalações aquecidas com a potência do sistema. Em geral, o processo computacional ocorre da seguinte forma: a calculadora usa os dados inseridos (a área das salas e a altura dos tetos nelas), converte-os em volume e, na saída, fornece recomendações sobre a prática potência da bomba para este caso.
2. Escolhendo o compressor certo Vamos estipular imediatamente um ponto (para os mestres “feitos em casa”): o compressor na bomba de calor nunca é criado manualmente, pois o desempenho do sistema como um todo dependerá da eficiência de seu trabalho, e mesmo o menor falha será suficiente para a falha de todos os elementos estruturais da bomba. A melhor opção deve ser selecionada com base na potência calculada da bomba: a potência do compressor deve ser cerca de 1/3 da possível transferência de calor da bomba.
3. Projeto do evaporador.Este processo é bastante simples se você o levar a sério e tiver cuidado ao trabalhar. Então, como este elemento, você pode usar um tanque de polímero com tampa. Uma bobina de cobre é puxada ao longo da superfície interna do tanque, cujo comprimento e diâmetro devem ser determinados antecipadamente. Primeiro, calculamos a área do tubo usando a fórmula P \u003d M / 0,8ΔT. M é a potência da bomba e ΔT é a diferença de temperatura. O valor resultante é proporcional à área de um metro linear do tubo. Colocamos o tubo corretamente dobrado no tanque, trazendo as extremidades de cima e de baixo. Em seguida, montamos duas saídas (acessórios de metal). Anexamos duas mangueiras a eles: na parte superior - pressão, na parte inferior - saída (para drenar a água).
4. Agora você pode iniciar o processo de montagem do capacitor. Aliás, é quase idêntico ao processo de montagem do evaporador, com a única diferença de que é utilizado um recipiente de aço inoxidável em vez de um tanque de polímero, e um refrigerante já aquecido circulará pela própria estrutura.
5. A última, mas não menos importante etapa é a montagem de todos os elementos estruturais juntos. Então, antes de tudo, um compressor é montado na plataforma / fundação preparada. Em seguida, a saída superior do condensador é conectada ao seu ramal de descarga e a saída inferior do condensador é conectada à saída do evaporador. Para isso, é utilizado um tubo de cobre, cujo diâmetro deve corresponder ao diâmetro das bobinas instaladas no interior dos elementos estruturais do sistema. Resta conectar a saída superior do evaporador com a conexão do compressor de sucção. Agora você pode preencher o refrigerante.

Isso conclui nossa consideração sobre os recursos de uma bomba de calor água-água e a tecnologia para instalá-la com nossas próprias mãos.Seja extremamente cuidadoso ao realizar todo o trabalho. Boa sorte!

Bomba de calor ar-água

Instalação e operação da bomba de calor AIR-WATER

Ar como fonte de energia térmica de baixa temperatura

Teoricamente, o ar pode ser utilizado como fonte de energia térmica de baixa temperatura, independentemente de sua temperatura. Na prática, as bombas de calor ar-água são eficazes a uma temperatura do ar de pelo menos -15 C. Até o momento, já existem bombas à venda que operam a uma temperatura de -25 C, mas até agora seu custo é muito alto , o que torna este tipo de equipamento de engenharia térmica inacessível ao consumidor em geral.

Em sua forma mais primitiva, uma bomba de calor ar-água pode ser pensada como um ar condicionado usado para resfriar o ambiente e despejar o "excesso" de calor em uma sala aquecida.

Ao mesmo tempo, uma bomba de calor ar-água não requer a abertura de fossas ou a perfuração de poços, a colocação de condutas ao longo do fundo dos reservatórios ou a instalação de colectores verticais necessários para permitir que as bombas de calor água-água ou solo-água operar. É fácil de operar e, ao mesmo tempo, permite obter calor barato para aquecer sua casa.

Além dos sistemas de ar condicionado, as bombas de calor deste tipo podem ser feitas de acordo com 2 esquemas de layout:

• Na forma de um sistema dividido composto por 2 blocos conectados por comunicações
• em forma de monobloco

Como regra, um monobloco é um único dispositivo montado em uma caixa e instalado dentro ou fora da casa. Para instalação interna, é necessário fornecer um canal livre para entrada de ar.Ao mesmo tempo, a instalação ao ar livre é preferível: permite mover o compressor como fonte de ruído para fora da sala.

Até o momento, muitos fabricantes produzem bombas de calor ar-água na forma de monoblocos. É conveniente e prático, permite mover livremente a bomba e instalá-la sem instalação e conexão complicadas. A única desvantagem é a baixa potência das bombas deste tipo: de 3 a 16 kW.

O sistema split é dividido em dois blocos, um dos quais inclui um condensador e um sistema de controle automático. É instalado dentro de casa. A segunda unidade (externa) inclui um compressor. A viabilidade económica da instalação de bombas de calor ar-água

As bombas de calor ar-água são eficientes em temperaturas externas positivas. Eles encontraram ampla aplicação nas regiões do sul do nosso país: no Kuban, no território de Stavropol, etc. onde as geadas severas são raras, e no inverno a temperatura raramente cai abaixo de zero.

Isso não significa que em outras regiões do nosso país, com condições climáticas mais severas, bombas de calor desse tipo não possam ser usadas. De jeito nenhum. Acontece que a eficiência de uma bomba ar-água diminui à medida que a temperatura do ar cai, juntamente com um aumento no custo da eletricidade necessária para operar a bomba.

Portanto, a conveniência de operar uma bomba de calor com temperatura negativa do ar, bem como a seleção de equipamentos de acordo com a potência necessária, deve ser realizada por engenheiros de aquecimento qualificados.

Até o momento, a melhor opção é usar uma bomba de calor ar-água para aquecimento e fornecimento de água quente em temperaturas ambientes positivas e ligar uma caldeira ou outra fonte de energia térmica quando o gelo se instala.

Outra condição para usar uma bomba de calor para aquecer uma casa é a alta eficiência térmica do edifício, a ausência de perdas de calor associadas a isolamento térmico e correntes de ar de baixa qualidade.

Qual é o princípio de funcionamento de uma bomba de calor?

Este sistema é composto por uma bomba de calor, um dispositivo de aspiração e distribuição de calor. Ao criar o circuito interno da bomba de calor, são utilizados um compressor, um evaporador, uma válvula borboleta e um condensador. A eletricidade é necessária apenas para operar o compressor.

O desenvolvimento do princípio de funcionamento do dispositivo foi feito no século XIX. Mesmo assim, foi chamado de "ciclo de Carnot". O funcionamento da bomba é o seguinte:

• uma mistura anticongelante é fornecida ao coletor, que pode ser água com álcool, salmoura ou uma mistura de glicol. Sua tarefa é absorver energia térmica com posterior transporte para a bomba;
• no evaporador, a energia passa para o refrigerante, como resultado do qual este começa a ferver, transformando-se em vapor;
• como resultado do aumento da pressão do compressor, a temperatura aumenta;
• através do condensador, toda a energia térmica é transferida para o transportador de calor do sistema de aquecimento localizado dentro da casa, enquanto o refrigerante, resfriado, passa ao estado líquido e retorna ao coletor.

Prós e contras

Instalar a bomba e conectá-la ao sistema de aquecimento tem várias vantagens:

• Autonomia - de um elemento centralizado, vale destacar apenas a conexão à rede elétrica.
• Economias significativas em transportadores de energia caros, eles são usados ​​para aquecimento e podem reduzir os custos financeiros das concessionárias. A partir de 1 kW de eletricidade, o dispositivo produz de 3 a 7 kW de calor - esses são os coeficientes mais altos entre as caldeiras que operam com diferentes tipos de combustível.
• Segurança ambiental - o equipamento não agride nem o meio ambiente nem a saúde dos moradores.
• Resistência ao fogo e não inflamabilidade dos elementos. Essa bomba não superaquece, não queima e não emite monóxido de carbono.

• O equipamento pode resfriar ou aumentar a temperatura da sala, criando o microclima necessário na sala. É adequado para uso no inverno e no verão.
• Longa vida útil - em média, o sistema pode durar de 40 a 50 anos e, com instalação adequada e condições operacionais confortáveis, a vida útil é estendida por vários anos.
• Silêncio durante a operação - o sistema é controlado automaticamente, o que é muito conveniente.
• A instalação da bomba não requer licença, como, por exemplo, a instalação de equipamentos a gás. Você pode comprar e instalar qualquer modelo do dispositivo a qualquer momento, sem ir a várias autoridades e sem esperar permissão.

Mas, como todos os equipamentos, essas bombas também apresentam desvantagens:

• A aquisição e instalação do dispositivo é bastante cara e nem todos podem pagar. O retorno do equipamento depende da intensidade de seu uso. Mas mesmo na melhor das hipóteses, a compra será compensada em pelo menos 5 anos.
• Para a instalação, você precisa procurar ajuda de especialistas, precisa de perfuração e outros equipamentos para organizar uma bomba geotérmica com um circuito vertical com profundidade de até 200 m. Você pode instalá-lo sozinho se tiver o conhecimento e as ferramentas adequadas.
• Em regiões onde a temperatura no inverno está abaixo de -15 graus, outra fonte de calor deve ser usada. Por exemplo, um sistema de aquecimento bivalente, onde o dispositivo aquece a sala enquanto está -20 graus lá fora. Quando não executa suas tarefas, um aquecedor elétrico ou uma caldeira a gás é ligado.

As bombas de circulação estão em demanda entre proprietários de residências e empresas localizadas em prédios baixos. Esses dispositivos receberam apenas críticas positivas.

O uso de bombas de calor para aquecimento doméstico é, antes de tudo, uma economia financeira significativa. O sistema de aquecimento mais eficiente é baseado em uma bomba de calor geotérmica. Todo mês, o custo é muito menor do que o custo do aquecimento a gás ou pellet. Ao instalar uma bomba de calor, o usuário recebe ar condicionado e aquecimento eficiente da casa em um projeto. Alguns modelos podem ser controlados à distância, por exemplo, usando um smartphone via Internet ou usando um termostato localizado na casa. E instalando coletores solares ou baterias, você pode tornar o sistema completamente autônomo e não se preocupará com o aumento dos preços da energia.

Os principais tipos de bombas de calor geotérmicas

No total, existem quatro tipos de coletores especializados que fornecem energia térmica. Esses incluem:

• Bombas de calor horizontais localizadas a uma profundidade de cerca de um metro e meio - exatamente no nível mais profundo que o congelamento do solo. Esta opção é preferida para propriedades residenciais.
• Bombas de calor verticais, localizadas em poços especiais com profundidade de cerca de cem metros e meio. Esta decisão torna-se relevante no caso em que simplesmente não há território para colocação horizontal do contorno.
• As bombas de água subterrânea envolvem a circulação de água através de um sistema de bomba de calor de fonte subterrânea, que atua como um fluido de troca de calor de trabalho. Depois de percorrer todo o contorno, a etapa final é o retorno seguro ao solo.
• As bombas de calor de fonte de água são a opção mais atraente em termos de custo. Eles podem estar localizados em qualquer corpo de água, cuja profundidade de congelamento é maior que a profundidade da colocação do equipamento. Além disso, durante o processo de instalação, é necessário cumprir os requisitos existentes para o volume de água no reservatório e seu tamanho.

Até o momento, todos os quatro tipos de coletores são usados ​​​​ativamente, são selecionados com base nas condições de operação e nas capacidades do usuário - características do edifício, orçamento, etc.

Equipamento recomendado

Seleção do tipo de bomba de calor

O principal indicador deste sistema de aquecimento é a energia. Em primeiro lugar, os custos financeiros para a compra de equipamentos e a escolha de uma ou outra fonte de calor de baixa temperatura dependerão da potência. Quanto maior a potência do sistema de bomba de calor, maior o custo dos componentes.

Em primeiro lugar, isso se refere à potência do compressor, à profundidade dos poços para sondas geotérmicas ou à área para acomodar um coletor horizontal.Cálculos termodinâmicos corretos são uma espécie de garantia de que o sistema funcionará com eficiência.

Se houver um reservatório próximo à área pessoal, a escolha mais econômica e produtiva será uma bomba de calor água-água

O aproveitamento do calor da terra, pelo contrário, envolve um grande número de trabalhos associados à escavação. Sistemas que usam água como calor de baixo grau são considerados os mais eficientes.

O dispositivo de uma bomba de calor que extrai energia térmica do solo envolve uma quantidade impressionante de terraplenagem. O coletor é colocado abaixo do nível de congelamento sazonal

Existem duas maneiras de usar a energia térmica do solo. A primeira envolve a perfuração de poços com diâmetro de 100-168 mm. A profundidade desses poços, dependendo dos parâmetros do sistema, pode chegar a 100 m ou mais.

Sondas especiais são colocadas nesses poços. O segundo método usa um coletor de tubos. Esse coletor é colocado no subsolo em um plano horizontal. Esta opção requer uma área bastante grande.

A construção para a captação de energia térmica com um poço profundo pode ser um pouco mais barata do que cavar um poço

Mas uma vantagem significativa reside na economia significativa de espaço, o que é importante para os proprietários de pequenas parcelas. No caso da presença de um horizonte de águas subterrâneas elevado no local, os trocadores de calor podem ser dispostos em dois poços localizados a uma distância de cerca de 15 m um do outro. No caso da presença de um horizonte de águas subterrâneas alto no local, os trocadores de calor podem ser dispostos em dois poços localizados a uma distância de cerca de 15 m um do outro

No caso da presença de um horizonte de águas subterrâneas elevado no local, os trocadores de calor podem ser dispostos em dois poços localizados a uma distância de cerca de 15 m um do outro.

A extração de energia térmica nesses sistemas por bombeamento de águas subterrâneas em circuito fechado, cujas partes estão localizadas em poços. Tal sistema requer a instalação de um filtro e limpeza periódica do trocador de calor.

O esquema de bomba de calor mais simples e barato baseia-se na extração de energia térmica do ar. Uma vez que se tornou a base para a construção de refrigeradores, os condicionadores de ar posteriores foram desenvolvidos de acordo com seus princípios.

O sistema de bomba de calor mais simples obtém energia da massa de ar. No verão está envolvido no aquecimento, no inverno no ar condicionado. A desvantagem do sistema é que, em uma versão independente, uma unidade com potência insuficiente

A eficácia de diferentes tipos deste equipamento não é a mesma. As bombas que usam ar têm o menor desempenho. Além disso, esses indicadores dependem diretamente das condições climáticas.

As variedades terrestres de bombas de calor têm desempenho estável. O coeficiente de eficiência desses sistemas varia de 2,8 a 3,3. Os sistemas água-água são os mais eficientes. Isto é principalmente devido à estabilidade da temperatura da fonte.

O principal parâmetro que caracteriza a eficiência de uma bomba de calor é o seu fator de conversão. Quanto maior o fator de conversão, mais eficiente a bomba de calor é considerada.

O fator de conversão de uma bomba de calor é expresso através da relação entre o fluxo de calor e a potência elétrica gasta no funcionamento do compressor

Seleção do tipo de bomba de calor

O principal indicador deste sistema de aquecimento é a energia. Em primeiro lugar, os custos financeiros para a compra de equipamentos e a escolha de uma ou outra fonte de calor de baixa temperatura dependerão da potência. Quanto maior a potência do sistema de bomba de calor, maior o custo dos componentes.

Em primeiro lugar, isso se refere à potência do compressor, à profundidade dos poços para sondas geotérmicas ou à área para acomodar um coletor horizontal. Cálculos termodinâmicos corretos são uma espécie de garantia de que o sistema funcionará com eficiência.

Se houver um reservatório próximo à área pessoal, a escolha mais econômica e produtiva será uma bomba de calor água-água

Primeiro você precisa estudar a área planejada para a instalação da bomba. A condição ideal seria a presença de um reservatório nesta área. O uso da opção água para água reduzirá significativamente a quantidade de trabalho de escavação.

O aproveitamento do calor da terra, pelo contrário, envolve um grande número de trabalhos associados à escavação. Sistemas que usam água como calor de baixo grau são considerados os mais eficientes.

O dispositivo de uma bomba de calor que extrai energia térmica do solo envolve uma quantidade impressionante de terraplenagem. O coletor é colocado abaixo do nível de congelamento sazonal

Existem duas maneiras de usar a energia térmica do solo. A primeira envolve a perfuração de poços com diâmetro de 100-168 mm.A profundidade desses poços, dependendo dos parâmetros do sistema, pode chegar a 100 m ou mais.

Sondas especiais são colocadas nesses poços. O segundo método usa um coletor de tubos. Esse coletor é colocado no subsolo em um plano horizontal. Esta opção requer uma área bastante grande.

Para a colocação do coletor, as áreas com solo úmido são consideradas ideais. Naturalmente, a perfuração de poços custará mais do que um reservatório horizontal. No entanto, nem todo site tem espaço livre. Para um kW de potência da bomba de calor, você precisa de 30 a 50 m² de área.

A construção para a captação de energia térmica com um poço profundo pode ser um pouco mais barata do que cavar um poço

Mas uma vantagem significativa reside na economia significativa de espaço, o que é importante para os proprietários de pequenas parcelas. No caso da presença de um horizonte de águas subterrâneas alto no local, os trocadores de calor podem ser dispostos em dois poços localizados a uma distância de cerca de 15 m um do outro

No caso da presença de um horizonte de águas subterrâneas elevado no local, os trocadores de calor podem ser dispostos em dois poços localizados a uma distância de cerca de 15 m um do outro.

A extração de energia térmica nesses sistemas por bombeamento de águas subterrâneas em circuito fechado, cujas partes estão localizadas em poços. Tal sistema requer a instalação de um filtro e limpeza periódica do trocador de calor.

O esquema de bomba de calor mais simples e barato baseia-se na extração de energia térmica do ar. Uma vez que se tornou a base para a construção de refrigeradores, os condicionadores de ar posteriores foram desenvolvidos de acordo com seus princípios.

O sistema de bomba de calor mais simples obtém energia da massa de ar.No verão está envolvido no aquecimento, no inverno no ar condicionado. A desvantagem do sistema é que, em uma versão independente, uma unidade com potência insuficiente

A eficácia de diferentes tipos deste equipamento não é a mesma. As bombas que usam ar têm o menor desempenho. Além disso, esses indicadores dependem diretamente das condições climáticas.

As variedades terrestres de bombas de calor têm desempenho estável. O coeficiente de eficiência desses sistemas varia de 2,8 a 3,3. Os sistemas água-água são os mais eficientes. Isto é principalmente devido à estabilidade da temperatura da fonte.

Deve-se notar que quanto mais profundo o coletor da bomba estiver localizado no reservatório, mais estável será a temperatura. Para obter uma potência do sistema de 10 kW, são necessários cerca de 300 metros de tubulação.

O principal parâmetro que caracteriza a eficiência de uma bomba de calor é o seu fator de conversão. Quanto maior o fator de conversão, mais eficiente a bomba de calor é considerada.

O fator de conversão de uma bomba de calor é expresso através da relação entre o fluxo de calor e a potência elétrica gasta no funcionamento do compressor

O uso de bombas de calor no clima russo

Tendo se familiarizado com as descrições acima de vários tipos de bombas de calor, você pode responder facilmente à pergunta sobre qual bomba é mais adequada para operação no clima russo.

As bombas de calor a ar são adequadas para uso apenas em um número limitado de regiões do nosso país - onde a temperatura do ar no inverno quase nunca cai abaixo de zero.É claro que os habitantes da Sibéria, do Extremo Oriente, do norte da parte européia da Rússia nem devem pensar em bombas de calor a ar.

Existem muitas limitações para a aplicação de bombas de calor de fonte de água. Já falamos sobre alguns deles, resta mencionar mais um. Mais da metade do território do nosso país está localizado na zona do permafrost. Mesmo que algum residente do leste da Sibéria ou do norte do Extremo Oriente tenha “sorte” e haja água subterrânea em sua área que não seja muito profunda, então, mesmo assim, essa água subterrânea está na forma de gelo, o que significa que não é adequado para uso no sistema de aquecimento.

Assim, a maioria dos nossos compatriotas tem que confiar na única opção ganha-ganha - uma bomba de calor geotérmica. Ao mesmo tempo, nas condições do clima russo, uma bomba é mais adequada não com um coletor horizontal, mas com uma sonda geotérmica, que permite atingir uma profundidade onde a temperatura do solo é mais estável.