Испаритель теплового насоса: вода-вода, грунт-вода, воздух-вода
Испаритель теплового насоса передаёт низкопотенциальное тепло хладагенту, причём тип аппарата зависит от источника: вода, грунтовый рассол или наружный воздух. Для воды и гликоля в статье рассматриваются кожухотрубные ИНВ/ИКВ, а для воздуха — оребрённый теплообменник с обдувом.
Ключевое отличие
В испарителе холодильной машины источник тепла — охлаждаемый продукт с температурой +5...+20°C. В испарителе теплового насоса источник тепла — низкопотенциальная среда: вода +5...+15°C, рассол (гликоль) −5...+10°C, грунт 0...+12°C. Температура кипения хладагента соответственно ниже: −10...0°C против +2...+8°C у чиллера.
Этот сдвиг температур определяет более высокое термодинамическое напряжение цикла теплового насоса. При одном и том же конденсаторном давлении (T_конд = +50°C для отопления) разница T_конд − T_кип у ТН больше, чем у чиллера. Отсюда — более строгие требования к площади теплопередачи испарителя, чтобы не потерять COP.
Испаритель вода-вода
Источник тепла — скважинная или речная вода (+5...+15°C). Вода проходит через испаритель, охлаждается на 4–6 К, тепло передаётся хладагенту.
T_кип хладагента: 0...+5°C
Тип аппарата: ИНВ или ИКВ, нержавейка 316L
Особенность: необходима водоподготовка при жёсткой воде
Рассольный испаритель
Источник тепла — рассол (гликоль), циркулирующий через горизонтальные коллекторы или вертикальные зонды в грунте. Температура рассола: 0...+5°C.
T_кип хладагента: −8...−5°C
Тип аппарата: ИНВ/ИКВ с антикоррозионной защитой
Особенность: гликоль меняет реологию (вязкость растёт при низких T)
Воздушный испаритель
Хладагент испаряется в наружном воздухоохладителе с оребрёнными трубками. Кожухотрубный испаритель в этой схеме — на стороне потребителя (нагрев воды).
T_кип хладагента: −15...+5°C (зависит от T наружного воздуха)
Тип аппарата: не кожухотрубный (ламельный теплообменник)
Особенность: эффективность резко падает при T ниже −15°C
Тепловой насос типа вода-вода — наиболее эффективная схема при наличии водного источника с постоянной температурой +5...+15°C (подземные воды, речная вода, озеро). Испаритель работает в следующем режиме:
| Параметр | Значение | Примечание |
|---|---|---|
| T воды на входе в испаритель | +8...+12°C | Типично для скважинной воды |
| T воды на выходе из испарителя | +3...+6°C | Охлаждение на 4–6 К |
| T кипения хладагента T_кип | 0...+5°C | На 3–5 К ниже T воды выход |
| Хладагенты | R134a, R410A, R32, R290 | Зависит от конструкции ТН |
| Тип испарителя | ИНВ или ИКВ, вертикальный | Хладагент в межтрубном пространстве |
| Материал трубок | 316L или Ti Grade 2 | При солёной/агрессивной воде — Ti |
В системе грунт-вода теплоносителем первичного контура является рассол — водный раствор этиленгликоля или пропиленгликоля. Рассол циркулирует через закопанные в грунт коллекторы (горизонтальные поля или вертикальные зонды глубиной 50–150 м) и отдаёт тепло грунта в испаритель теплового насоса.
Тепловой баланс рассольного контура
- T рассола на выходе из грунта (вход в испаритель): 0...+5°C
- T рассола на входе в грунт (выход из испарителя): −3...−1°C
- Охлаждение рассола в испарителе: 3–6 К
- T кипения хладагента в испарителе: −8...−5°C (на 3–5 К ниже T_рассол_выход)
- Расход рассола: 0,2–0,3 л/мин на 1 кВт Q_исп
Скорость рассола в трубках испарителя должна быть не менее 0,5 м/с для предотвращения расслоения гликолевого раствора и обеспечения турбулентного теплообмена. При вязком рассоле (концентрация ПГ более 40%) скорость нужно увеличить до 0,8–1,0 м/с.
| Антифриз | Концентрация | T замерзания | Применение | Примечание |
|---|---|---|---|---|
| Этиленгликоль (ЭГ) | 28% | −15°C | Промышленные ТН | Токсичен, не для жилья вблизи водозаборов |
| Этиленгликоль (ЭГ) | 37% | −20°C | Северные регионы | Вязкость растёт: снижает эффективность насоса |
| Пропиленгликоль (ПГ) | 33% | −15°C | Жилой сектор | Пищевой класс, безопасен для грунтовых вод |
| Пропиленгликоль (ПГ) | 43% | −20°C | Северные регионы | Высокая вязкость — подбирать насос с запасом |
| Бетаин (Хладол) | 22% | −15°C | Скандинавия, РФ | Биоразлагаем, низкая коррозионность |
| Этанол (этиловый спирт) | 23% | −15°C | Частные дома, Европа | Низкая вязкость, пожароопасен при заполнении |
Требования к рассолу для испарителя 316L
- pH: 7,5–9,0 (ниже — коррозия нержавейки; выше — выпадение осадка)
- Содержание Cl⁻: не более 200 мг/л (иначе питтинговая коррозия 316L)
- Ингибиторы коррозии: молибдаты, бензотриазол для смешанных контуров (Fe + нержавейка + медь)
- Проверка концентрации: рефрактометр или денсиметр — раз в 2–3 года
Рабочие температуры определяют термодинамику цикла и, в конечном счёте, COP теплового насоса. Грамотный инженер стремится максимизировать температуру кипения, подбирая испаритель с достаточной площадью теплопередачи.
| Схема ТН | T источника, вход | T источника, выход | T_кип хладагента |
|---|---|---|---|
| Вода-вода (скважинная вода +12°C) | +12°C | +6°C | +2...+4°C |
| Вода-вода (водоём +8°C) | +8°C | +3°C | −1...+1°C |
| Грунт-вода (горизонт. коллектор) | +3...+5°C | −1...0°C | −6...−4°C |
| Грунт-вода (вертикальные зонды) | +4...+8°C | 0...+2°C | −5...−3°C |
| Воздух-вода (наружный воздух +5°C) | +5°C (воздух) | +1°C (воздух) | −5...−2°C |
| Воздух-вода (наружный воздух −15°C) | −15°C (воздух) | — | −20...−18°C |
Идеальный COP по Карно:
Температуры в Кельвинах. Реальный COP ≈ 50–60% от COP_Карно
Пример: T_конд = 323 К (+50°C), T_кип = 268 К (−5°C)
Реальный COP ≈ 5,87 × 0,55 ≈ 3,2
Влияние загрязнения испарителя на COP
Накипь или биообрастание на трубках испарителя снижает K на 10–30%. Это приводит к росту температурного напора — испаритель «не тянет» тепло, T_кип падает, компрессор работает тяжелее. При снижении K на 20% COP снижается на 5–10%.
- Рост ΔP водяного тракта на 15% — сигнал к чистке
- Рост ΔT (T_вода_выход − T_кип) выше проектного на 2 К — признак загрязнения
- Ежегодный мониторинг — ключ к сохранению COP
Формула тепловой нагрузки испарителя
Мощность испарителя из баланса ТН:
Пример: Q_ТН = 120 кВт, COP = 4,0
Испаритель берёт 90 кВт из грунта/воды; 30 кВт — от компрессора
Подбор площади теплопередачи
Расчёт F по LMTD
- Q = K × F × ΔT_ср_лог
- K для рассольного испарителя (затопленный, нержавейка): 700–1000 Вт/м²·К
- K для водяного испарителя (затопленный, нержавейка): 900–1200 Вт/м²·К
- ΔT_ср_лог рассчитывается по температурам рассола (вход/выход) и T_кип
- Запас площади: 15–20% к расчётному
Пример расчёта
Q_исп = 90 кВт; рассол ПГ 33%: вход +4°C, выход 0°C; T_кип = −5°C
LMTD = ((4−(−5)) − (0−(−5))) / ln(9/5) = (9−5) / ln(1,8) = 4 / 0,588 ≈ 6,8 К
K = 800 Вт/м²·К (рассол с гликолем снижает K из-за вязкости)
F = 90 000 / (800 × 6,8) ≈ 16,5 м². С запасом 20%: F_расч ≈ 20 м²
Типоразмер: ИКВ 325/4500 (F ≈ 22 м²) или ИНВ 400/3000
Гликолевые рассолы и грунтовые воды содержат кислород, CO₂ и хлориды — агрессивные для углеродистой стали. Нержавейка 316L (08Х17Н13М2Т по ГОСТ) — стандарт для рассольных испарителей ТН.
| Материал | Применение в ТН | Стойкость к рассолу | Стоимость, % |
|---|---|---|---|
| Сталь 20 | Только при качественном рассоле pH 8–9 | Умеренная | 100% |
| AISI 304 (08Х18Н10) | Гликоль без хлоридов | Хорошая | 130% |
| AISI 316Ti (08Х17Н13М2Т) | Рассол, хлориды до 200 мг/л | Отличная | 155% |
| Duplex 2205 | Морская вода, хлориды до 2000 мг/л | Превосходная | 220% |
| Ti Grade 2 | Морская/солёная вода, pH < 6 | Максимальная | 350% |
| Тип | Диаметр кожуха, мм | Длина труб, мм | Площадь F, м² | Q_ТН, кВт (COP=4) |
|---|---|---|---|---|
| ИНВ 219/2000 | 219 | 2000 | 3,5–5 | 25–35 кВт |
| ИНВ 273/3000 | 273 | 3000 | 7–10 | 50–75 кВт |
| ИКВ 325/3000 | 325 | 3000 | 12–16 | 85–115 кВт |
| ИКВ 325/4500 | 325 | 4500 | 18–24 | 130–170 кВт |
| ИКВ 400/4500 | 400 | 4500 | 28–36 | 200–260 кВт |
| ИКВ 500/4500 | 500 | 4500 | 45–60 | 325–430 кВт |
| ИКВ 600/6000 | 600 | 6000 | 70–90 | 500–650 кВт |
Мощность Q_ТН приведена для COP = 4 (то есть Q_исп = Q_ТН × 0,75). Фактические параметры рассчитываются индивидуально под конкретный хладагент, тип ТН и режим работы.
Нужен испаритель для теплового насоса?
Рассчитаем площадь и подберём типоразмер ИНВ/ИКВ под параметры вашего ТН: хладагент, COP, T_кип, рассол
Запросить расчётПодобрать теплообменник бесплатно
Укажите задачу — инженер S22 выполнит расчёт и предложит решение в течение 2 часов.
Нажимая кнопку, вы соглашаетесь с политикой конфиденциальности.
Тип источника и испаритель
| Схема ТН | Источник | Исполнение |
|---|---|---|
| вода-вода | скважинная или речная вода | ИНВ или ИКВ, 316L |
| грунт-вода | рассол в горизонтальном коллекторе или зондах | ИНВ/ИКВ с защитой от коррозии |
| воздух-вода | наружный воздух | оребрённый воздухоохладитель |
Что учесть для рассола
Гликоль меняет вязкость при понижении температуры, поэтому его концентрацию, расход и перепад давления закладывают в расчёт. Для воды отдельно проверяют жёсткость и необходимость водоподготовки, а для контактирующих поверхностей рассматривают 316L.
Ошибки выбора
- Использовать кожухотрубный аппарат на воздушной стороне без оребрения и обдува.
- Считать температуру источника постоянной в течение сезона.
- Не учитывать изменение вязкости гликоля и запас по площади.