As primeiras versões de bombas de calor poderiam satisfazer apenas parcialmente as necessidades de energia térmica. Variedades modernas são mais eficientes e podem ser usadas para sistemas de aquecimento. É por isso que muitos proprietários estão tentando montar uma bomba de calor com suas próprias mãos.
Vamos dizer-lhe como escolher a melhor opção para uma bomba de calor, tendo em conta os dados geográficos da área onde está prevista a instalação. O artigo proposto para consideração descreve detalhadamente o princípio de operação dos sistemas de uso de “energia verde” e lista as diferenças. Com o nosso conselho, sem dúvida você vai se debruçar sobre o tipo efetivo.
Para mestres independentes, apresentamos a tecnologia de montagem da bomba de calor. As informações apresentadas para consideração são complementadas por diagramas visuais, seleções de fotos e instruções detalhadas em vídeo em duas partes.
Conteúdo do artigo:
- O que é uma bomba de calor e como funciona?
- Os principais elementos de design das bombas de calor
- Selecione o tipo de bomba de calor
- Construindo uma bomba de calor
- Conclusões e vídeos úteis sobre o tema
O que é uma bomba de calor e como funciona?
O termo bomba de calor refere-se a um conjunto de equipamentos específicos. A principal função deste equipamento é a coleta de energia térmica e seu transporte para o consumidor. A fonte dessa energia pode ser qualquer corpo ou meio que tenha uma temperatura de + 1º ou mais graus.
Em nosso meio, as fontes de calor de baixa temperatura são mais que suficientes. Estes são resíduos industriais de empresas, usinas térmicas e nucleares, esgotos, etc. Para a operação de bombas de calor no campo do aquecimento doméstico, são necessárias três fontes naturais auto-regeneradoras - ar, água, terra.
Bombas de calor “extraem” energia de processos que ocorrem regularmente no ambiente. O fluxo de processos nunca pára, porque as fontes são consideradas inesgotáveis por critérios humanos.
Os três potenciais fornecedores de energia listados estão diretamente relacionados à energia do sol, que por meio do aquecimento aciona o ar com o vento e transfere energia térmica para a Terra. É a escolha da fonte que é o principal critério de acordo com o qual os sistemas de bomba de calor são classificados.
O princípio de funcionamento das bombas de calor baseia-se na capacidade dos corpos ou meios de transferir energia térmica para outro corpo ou meio. Recipientes e fornecedores de energia em sistemas de bomba de calor geralmente trabalham em pares.
Então, distinga os seguintes tipos de bombas de calor:
- Ar é água.
- Terra é água.
- A água é ar.
- A água é água.
- Terra é ar.
- Água - água
- Ar é ar.
Neste caso, a primeira palavra determina o tipo de meio em que o sistema recebe calor a baixa temperatura. O segundo indica o tipo de portador para o qual esta energia térmica é transferida. Assim, nas bombas de calor, a água é água, o calor é retirado do meio aquoso e o líquido é utilizado como transportador de calor.
Bombas de calor de um tipo construtivo são instalações de compressão de vapor. Eles extraem calor de fontes naturais, processam e transportam para os consumidores (+)
Bombas de calor modernas usam três fonte de calor. Isso - o solo, a água e o ar. A mais fácil dessas opções é bomba de calor de ar. A popularidade de tais sistemas está associada ao seu design bastante simples e facilidade de instalação.
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A bomba de calor inclui uma unidade interna e externa. A parte externa destina-se à entrada de energia natural, interna para seu processamento
A unidade de bomba de calor ar-ar externa é semelhante ao exterior de um aparelho de ar condicionado e utiliza princípios semelhantes.
Se você deseja aumentar o desempenho do sistema de calor ar-ar, aumente a área do seu evaporador.
Os sistemas térmicos que utilizam o calor do interior da Terra são significativamente mais complexos e caros de construir. Entre eles estão os trabalhos verticais - poços
Para a construção de sistemas de evaporadores horizontais que retiram calor do solo, são necessárias grandes áreas livres de construções.
Os tubos do evaporador podem ser colocados em vários loops nas trincheiras. O principal é cavar no chão as imagens necessárias do receptor de energia
Um poço para o uso de energia de águas subterrâneas é construído de acordo com princípios semelhantes às regras do dispositivo de sistemas de evaporação com entrada de energia de terra
Para o dispositivo do evaporador vertical de uma bomba de calor que usa a energia da água, você precisa de um reservatório próximo de área suficiente
O princípio padrão do dispositivo de bomba de calor
Unidade de bomba de calor ar-ar externa
Variedade de instalação térmica ar-ar
Sistema de evaporador horizontal da água da terra
O receptor de calor do dispositivo bombeia terra-ar
Evaporador em trincheiras selecionadas
Poço de água para bomba de calor água-a-água
Receptores horizontais de energia da água
No entanto, apesar dessa popularidade, essas variedades têm uma produtividade bastante baixa. Além disso, a eficiência é instável e depende das flutuações sazonais da temperatura.
Com a diminuição da temperatura, o desempenho cai significativamente. Essas variantes de bombas de calor podem ser consideradas como um complemento à principal fonte de energia térmica existente.
Opções de equipamento usando calor do solosão considerados mais eficazes. O solo recebe e acumula energia térmica não só do Sol, é constantemente aquecido pela energia do núcleo da Terra.
Ou seja, o solo é uma espécie de acumulador de calor, cuja capacidade é praticamente ilimitada. Além disso, a temperatura do solo, especialmente a uma certa profundidade, é constante e varia em limites insignificantes.
Escopo da energia gerada por bombas de calor:
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Bombas de calor servem como fornecedores de energia para as necessidades de circuitos de aquecimento de baixa temperatura e sistemas de aquecimento de água.
As bombas de calor encontraram o uso mais ativo como fornecedor de energia para circuitos de aquecimento de ar.
As bombas de calor são capazes de fornecer ao sistema um piso quente com a quantidade necessária de temperatura exigida pelo refrigerante
A pequena bomba de calor de pequeno ou médio poder lidar perfeitamente com a água aquecida para uma piscina privada
Bombas de calor em aquecimento e água quente
Aplicação em circuitos de aquecimento de ar
Preparação do transportador de calor para sistemas de aquecimento radiante
Instalação térmica no aquecimento de água da piscina
A constância da temperatura da fonte é um fator importante na operação estável e eficiente deste tipo de equipamento de potência. Características semelhantes têm sistemas em que o meio aquático é a principal fonte de energia térmica. O coletor de tais bombas está localizado no poço, onde está localizado no aqüífero ou em um reservatório.
A temperatura média anual de fontes como solo e água varia de + 7º a + 12º C. Essa temperatura é suficiente para garantir a operação efetiva do sistema.
As mais eficazes são as bombas de calor que extraem energia de calor de fontes com índices de temperatura estáveis, ou seja, da água e do solo
Os principais elementos de design das bombas de calor
Para que a usina de geração de energia funcione de acordo com os princípios de operação da bomba de calor, seu projeto deve incluir 4 unidades principais, estas são:
- Compressor
- Evaporador
- Condensador
- Válvula de estrangulamento.
Um elemento importante do projeto da bomba de calor é um compressor. Sua principal função é aumentar a pressão e a temperatura dos vapores resultantes da ebulição do refrigerante. Em particular, os compressores scroll modernos são usados para equipamentos HVAC e bombas de calor.
Líquidos com baixo ponto de ebulição são utilizados como meio de trabalho que realiza a transferência direta de energia térmica. Amonia e freons (+) são geralmente usados.
Tais compressores são projetados para operar em temperaturas abaixo de zero. Ao contrário de outras variedades, os compressores scroll produzem pouco ruído e operam tanto a baixas temperaturas de ebulição do gás quanto a altas temperaturas de condensação. A vantagem inquestionável é seu tamanho compacto e baixo peso específico.
Quase toda a energia da bomba de calor é gasta no transporte de energia térmica do exterior para a sala. Assim, o trabalho dos sistemas leva cerca de 1 unidade de energia na produção de 4 - 6 unidades (+)
O evaporador como elemento estrutural é um tanque no qual ocorre a conversão do refrigerante líquido em vapor. O refrigerante, circulando em circuito fechado, passa pelo evaporador. Nele o refrigerante aquece e se transforma em vapor. O vapor resultante sob baixa pressão é direcionado para o compressor.
Em um compressor, os vapores de refrigerante são submetidos a pressão e a temperatura sobe. O compressor bombeia o vapor aquecido sob alta pressão em direção ao condensador.
O compressor comprime o meio que circula no circuito, o que resulta em aumento de temperatura e pressão. Em seguida, o meio comprimido entra no trocador de calor (condensador), onde é resfriado, transferindo calor para a água ou para o ar
O próximo elemento estrutural do sistema é um capacitor. Sua função é reduzida ao retorno da energia térmica ao circuito interno do sistema de aquecimento.
Amostras seriais fabricadas por empresas industriais são equipadas com trocadores de calor a placas. O material principal para tais capacitores é o aço ligado ou cobre.
Para auto-fabricação de trocador de calor adequado tubo de cobre com um diâmetro de meia polegada. A espessura da parede dos tubos usados para fabricar o permutador de calor deve ser de pelo menos 1 mm
Uma válvula termostática ou estranguladora é instalada no início da parte do circuito hidráulico, onde o meio circulante de alta pressão é convertido em um meio de baixa pressão. Mais precisamente, um acelerador emparelhado com um compressor divide o circuito da bomba de calor em duas partes: uma com parâmetros de alta pressão, a outra com valores baixos.
Ao passar por uma válvula de aceleração de expansão, o líquido que circula em circuito fechado evapora parcialmente, em conseqüência do que a pressão cai com a temperatura. Em seguida, entra no trocador de calor, comunicando-se com o ambiente. Ele captura a energia do meio e o transfere de volta para o sistema.
Por meio da válvula de aceleração, o fluxo de refrigerante é controlado em direção ao evaporador. Ao escolher uma válvula, os parâmetros do sistema devem ser levados em consideração. A válvula deve atender a esses parâmetros.
Ao passar pela válvula reguladora de calor, o fluido de transferência de calor evapora parcialmente e a temperatura do fluxo diminui (+)
Selecione o tipo de bomba de calor
O principal indicador deste sistema de aquecimento é a energia. A partir do poder em primeiro lugar dependerá dos custos financeiros para a compra de equipamentos e a escolha de uma ou outra fonte de calor de baixa temperatura. Quanto maior a capacidade do sistema de bombeamento de calor, maior o custo dos elementos componentes.
Em primeiro lugar, isso se refere à capacidade do compressor, à profundidade dos poços para sondas geotérmicas ou à área para acomodar o reservatório horizontal. Cálculos termodinâmicos apropriados são uma espécie de garantia de que o sistema funcionará de maneira eficiente.
Se houver um reservatório de água próximo à área pessoal, a bomba de calor água-a-água será a opção mais econômica e produtiva.
Para começar, é necessário estudar um local planejado para a instalação da bomba. A condição ideal é a presença de um reservatório neste site. Uso de tipo de água-água reduzir significativamente a quantidade de terraplenagem.
Usar o calor da terra, pelo contrário, envolve um grande número de trabalhos relacionados à escavação. Sistemas que utilizam ambientes aquáticos como calor de baixo grau são considerados os mais eficientes.
O dispositivo da bomba de calor, que extrai energia térmica do solo, envolve uma quantidade impressionante de terraplenagem. Um coletor é colocado abaixo do nível de congelamento sazonal.
Use a energia térmica do solo de duas maneiras. O primeiro envolve a perfuração de poços com um diâmetro de 100-168 mm. A profundidade desses poços, dependendo dos parâmetros do sistema, pode atingir 100 m ou mais.
Sondas especiais são colocadas nesses poços. O segundo método usa um coletor de tubos. Tal coletor é colocado no subsolo em um plano horizontal. Para esta opção, você precisa de uma área grande o suficiente.
Para a colocação do coletor, áreas com solo úmido são consideradas ideais. Naturalmente, a perfuração de poços custará mais do que a localização horizontal do reservatório. 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.
Uma instalação para extrair energia térmica de um poço profundo pode ser um pouco mais barata do que cavar um poço. Mas uma vantagem importante é a economia significativa no espaço, o que é importante para os proprietários de pequenas áreas.
No caso da presença no local de um horizonte elevado de águas subterrâneas, os permutadores de calor podem ser dispostos em dois poços localizados a uma distância de cerca de 15 m um do outro.
A seleção de energia térmica em tais sistemas bombeando água subterrânea em circuito fechado, partes das quais estão localizadas em poços. Tal sistema precisa instalar um filtro e limpar periodicamente o trocador de calor.
O esquema de bomba de calor mais simples e mais barato baseia-se na extração de energia térmica do ar. Uma vez que se tornou a base para os frigoríficos dispositivo, mais tarde, de acordo com seus princípios foram desenvolvidos condicionadores de ar.
O sistema de bomba de calor mais simples consome energia da massa de ar. No verão ela participa de aquecimento, no inverno em ar condicionado. O menos do sistema é que, em uma versão independente, a unidade com energia insuficiente
A eficácia dos diferentes tipos deste equipamento não é a mesma. Os indicadores mais baixos têm as bombas usando o ambiente do ar. Além disso, esses números dependem diretamente das condições climáticas.
Tipos de solo de bombas de calor têm desempenho estável. O coeficiente de eficiência desses sistemas varia na faixa de 2,8 -3,3. Os sistemas mais eficazes têm água. Isto é devido principalmente à estabilidade da temperatura da fonte.
Deve-se notar que quanto mais profundo o coletor de bomba estiver localizado no reservatório, mais estável será a temperatura. Para obter uma potência do sistema de 10 kW, você precisa de cerca de 300 metros de tubulação.
O principal parâmetro que caracteriza a eficiência da bomba de calor é considerado o seu coeficiente de conversão. Quanto maior o fator de conversão, mais eficiente é considerada a bomba de calor.
A taxa de conversão da bomba de calor é expressa em termos da relação entre o fluxo de calor e a energia elétrica consumida pelo compressor.
Construindo uma bomba de calor
Conhecendo o esquema de ação e o dispositivo da bomba de calor, monte e monte de forma independente sistema de aquecimento alternativo bem possível. Antes de começar o trabalho, é necessário calcular todos os parâmetros básicos do futuro sistema. Para calcular os parâmetros da futura bomba, você pode usar o software projetado para otimizar os sistemas de refrigeração.
A opção de construção mais simples é sistema de ar-água. Não requer trabalho complexo no dispositivo do circuito externo, que é inerente às variedades de água e terra das bombas de calor. Para a instalação, serão necessários apenas dois canais, um dos quais será abastecido com ar, o segundo será usado para descarregar a massa de resíduos.
A maneira mais fácil de fazer isso sozinho é ter uma bomba de calor com o calor extraído da massa de ar. Um ventilador externo sopra ar no evaporador.
Além do ventilador, você precisa adquirir um compressor com a potência necessária. Para tal unidade é bastante adequado compressor, que são equipados com convencional sistemas divididos. Não é necessário comprar uma nova unidade.
Você pode removê-lo do equipamento antigo ou usá-lo. acessórios antigos geladeira. É aconselhável usar uma versão em espiral. Essas opções de compressores, além de possuírem eficiência suficiente, criam uma alta pressão, que proporciona um aumento na temperatura.
Para construir um capacitor, você precisa de um tanque e um tubo de cobre. Do tubo é uma bobina. Para o seu fabrico utilizando qualquer corpo cilíndrico do diâmetro desejado. Tendo enrolado um tubo de cobre, você pode facilmente e rapidamente fabricar este elemento estrutural.
A bobina pronta é montada em um pré-corte em meia capacidade. Para a fabricação de recipientes é melhor usar materiais resistentes aos processos de corrosão. Depois de colocar a bobina nela, as metades do tanque são soldadas.
A área da bobina é calculada usando a seguinte fórmula:
MT / 0,8 RT,
onde:
- Mt - o poder da energia térmica, que dá o sistema.
- 0,8 - coeficiente de condutividade térmica na interação da água com o material da bobina.
- RT - a diferença entre a temperatura da água de entrada e saída.
Escolhendo um tubo de cobre para auto-fabricação da bobina, você precisa prestar atenção à espessura das paredes. Deve ser pelo menos 1 mm. Caso contrário, quando o enrolamento do tubo será deformado. O tubo através do qual a entrada de refrigerante está localizada no topo do tanque.
O trocador de calor é feito de tubo de cobre enrolando o tubo de cobre no objeto com uma forma cilíndrica. Quanto maior a área da superfície da bobina, maior o desempenho da bomba
O evaporador da bomba de calor pode ser feito em duas versões - na forma de um tanque com uma bobina e na forma de um tubo em um tubo. Como a temperatura do líquido no evaporador é pequena, a capacidade pode ser feita de um barril de plástico. Neste contêiner é colocado o circuito, que é feito de tubo de cobre.
Em contraste com o condensador, a bobina da bobina do evaporador deve corresponder ao diâmetro e à altura do recipiente selecionado. A segunda variante do evaporador: um tubo no tubo. Nesta forma de realização, o tubo de refrigerante é colocado num tubo de plástico com um diâmetro maior através do qual a água circula.
O comprimento de tal tubo depende da potência planejada da bomba. Pode ser de 25 a 40 metros. Este tubo está enrolado em espiral.
Válvula termostática refere-se às válvulas de fechamento e controle. Uma agulha é usada como elemento de travamento na câmara de expansão. A posição da válvula é determinada pela temperatura no evaporador.
Este é um elemento importante do sistema tem uma estrutura bastante complexa. Inclui:
- Termopar.
- Abertura
- Tubo capilar.
- Thermoball.
Esses elementos podem se tornar inutilizáveis em altas temperaturas. Portanto, durante o trabalho no sistema de soldagem, a válvula deve ser isolada com um pano de amianto. A válvula de controle deve corresponder à capacidade do evaporador.
Após o trabalho na fabricação de peças estruturais básicas, o momento crucial vem para a montagem de toda a estrutura em uma única unidade. O estágio mais crucial é processo de injeção de refrigerante ou refrigerante no sistema.
Independentemente de realizar tal operação é dificilmente possível para um homem simples na rua. Terá de recorrer a profissionais que se dedicam à reparação e manutenção de equipamentos climáticos.
Os trabalhadores nesta área, por via de regra, têm o equipamento necessário. Além de carregar o refrigerante, eles podem testar a operação do sistema. A injeção de auto-refrigerante pode levar não apenas à falha estrutural, mas também a lesões graves. Além disso, para iniciar o sistema, você também precisa de equipamentos especiais.
Ao iniciar o sistema, ocorre um pico de carga inicial, que geralmente é em torno de 40 A. Portanto, iniciar o sistema sem um relé de partida não é possível. Após o primeiro arranque, é necessário o ajuste da válvula e a pressão do refrigerante.
A escolha do refrigerante deve ser levada a sério. Afinal, esta substância é essencialmente considerada a principal “portadora” da energia térmica útil. Dos refrigerantes modernos existentes, os freons são os mais populares. Estes são derivados de compostos de hidrocarbonetos nos quais uma parte dos átomos de carbono é substituída por outros elementos.
Como resultado, a montagem dos elementos individuais da bomba de calor deve ter um circuito fechado através do qual o meio de trabalho circula.
Como resultado deste trabalho, foi obtido um sistema de malha fechada. O refrigerante irá circular nele, garantindo a seleção e transferência de energia térmica do evaporador para o condensador. Ao conectar as bombas de calor ao sistema de fornecimento de calor da casa, deve-se levar em conta que a temperatura da água que sai do condensador não excede 50 - 60 graus.
Devido à baixa temperatura da energia térmica gerada pela bomba de calor, você precisa escolher dispositivos de aquecimento especializados como consumidor de calor. Isso pode ser um piso ou um aquecedor quente de radiadores de baixa inércia feitos de alumínio ou aço com uma grande área de radiação.
Versões feitas por si próprias de bombas de calor são mais apropriadas para considerar como equipamento auxiliar que suporta e complementa o trabalho da fonte principal.
Todos os anos, os projetos de bombas de calor estão melhorando. Em projetos industriais destinados ao uso doméstico, são utilizadas superfícies de transferência de calor mais eficientes. Como resultado, o desempenho do sistema está aumentando constantemente.
Um fator importante que estimula o desenvolvimento dessa tecnologia para a produção de energia térmica é o componente ambiental. Tais sistemas, além de serem bastante eficientes, não poluem o meio ambiente. A ausência de uma chama aberta faz com que funcione absolutamente seguro.
Conclusões e vídeos úteis sobre o tema
Vídeo # 1. Como fazer a bomba de calor caseira mais simples com um trocador de calor do tubo PEX:
Vídeo # 2. Instrução continuada:
Bombas de calor têm sido usadas como sistemas alternativos de aquecimento por um longo tempo. Estes sistemas são confiáveis, têm uma longa vida útil e, mais importante, são ecologicamente corretos. Eles estão seriamente começando a ser considerado como mais um passo para o desenvolvimento de sistemas de aquecimento eficientes e seguros.
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