Jak działa pompa ciepła DUOHEAT
Od bezolejowej sprężarki odśrodkowej po analizę cyklu życia gotowego systemu — inżynieria stojąca za pompą ciepła zbudowaną dla przemysłowych temperatur.
Dobór wymienników do wymagającego obiegu
Wymienniki ciepła są kluczowe dla systemu DUOHEAT, ponieważ przekazują energię cieplną między źródłem ciepła odpadowego, czynnikiem roboczym a końcowym odbiorcą ciepła przemysłowego. Ich konstrukcja musi pozostać efektywna w wymagających warunkach, obejmujących podwyższone ciśnienie, przemiany fazowe i temperatury zbliżające się do 200 °C.
Projektowanie dla niestandardowych warunków pracy
Pierwszy etap prac koncentruje się na modelowaniu matematycznym wymienników ciepła wymaganych przez dwustopniowy obieg pompy ciepła. Modele jednowymiarowe opracowane w MATLAB-ie posłużą do oszacowania najważniejszych parametrów projektowych, w tym powierzchni wymiany ciepła, strat ciśnienia i spodziewanej skuteczności cieplnej.
Obliczenia te wesprą wybór dostępnych komercyjnie wymienników tam, gdzie istnieją odpowiednie produkty. Jeden z głównych elementów systemu będzie jednak pracował w szczególnie wymagających warunkach, blisko temperatury krytycznej czynnika roboczego i przy temperaturach skraplania sięgających około 200 °C.
Ponieważ standardowe rozwiązania rynkowe nie są zoptymalizowane pod kątem takich warunków pracy, opracowany zostanie dedykowany prototypowy wymiennik wysokotemperaturowy.
Od modelu CFD do prototypu laboratoryjnego
Nowa geometria wymiennika zostanie przeanalizowana za pomocą trójwymiarowych modeli numerycznych. ANSYS SpaceClaim posłuży do stworzenia geometrii, Fluent Meshing do wygenerowania siatki obliczeniowej, a ANSYS Fluent do symulacji wymiany ciepła i przepływu czynnika.
Analiza CFD umożliwi zbadanie:
- rozkładów temperatury i prędkości,
- lokalnych współczynników wymiany ciepła,
- strat ciśnienia,
- nierównomierności rozpływu,
- naprężeń termicznych,
- oraz wpływu modyfikacji geometrycznych na ogólną wydajność.
Równolegle zbudowane zostanie dedykowane stanowisko badawcze. Zmierzone dane posłużą do walidacji modelu numerycznego oraz weryfikacji, czy przewidywane charakterystyki wymiany ciepła i strat ciśnienia odpowiadają rzeczywistej pracy urządzenia.
Optymalizacja i rozwój prototypu
Po walidacji model numeryczny zostanie wykorzystany w szerokim studium projektowo-optymalizacyjnym. Środowisko optiSLang wesprze poszukiwanie geometrii maksymalizujących wydajność cieplną przy zachowaniu ograniczeń związanych ze spadkiem ciśnienia, wytwarzalnością, wytrzymałością i nominalnymi warunkami pracy.
Wybrana konstrukcja posłuży do wytworzenia prototypowego wymiennika zdolnego do pracy przy temperaturach skraplania zbliżonych do 200 °C. Proces rozwoju obejmie dobór materiałów, projekt mechaniczny, integrację komponentów oraz przygotowanie do testów w ramach kompletnego demonstratora DUOHEAT.
Prototyp zostanie następnie przekazany do testów na poziomie systemu, gdzie oceniona zostanie jego skuteczność i stabilność operacyjna w realistycznych warunkach pracy pompy ciepła.
Rodzina wymienników dla przyszłych zastosowań
Ostatni etap projektu rozszerzy prace z pojedynczego prototypu na rodzinę wymienników ciepła o różnych mocach nominalnych. Uczyni to technologię bardziej elastyczną wobec szerszego zakresu zastosowań przemysłowych.
Ponieważ testowanie każdego wariantu geometrycznego przy użyciu pełnego CFD wymagałoby znacznego nakładu obliczeniowego, opracowane zostaną uproszczone modele zastępcze. Te narzędzia metamodelowania będą oparte na danych CFD i mogą obejmować metody sztucznej inteligencji, takie jak sieci funkcji bazowych radialnych.
Modele zastępcze będą przewidywać wydajność wymiennika dla wielu kombinacji geometrii i warunków pracy bez konieczności wykonywania nowej, wysokowierności symulacji za każdym razem. Zostaną następnie połączone z algorytmami optymalizacyjnymi, w tym algorytmami genetycznymi, aby wyznaczyć efektywne konstrukcje wymienników dla różnych poziomów mocy.
Takie podejście znacząco skróci proces projektowy i wesprze rozwój skalowalnych, wysokowydajnych wymienników ciepła dostosowanych do przyszłych, wysokotemperaturowych systemów pomp ciepła.