Jak działa pompa ciepła DUOHEAT
Od bezolejowej sprężarki odśrodkowej po analizę cyklu życia gotowego systemu — inżynieria stojąca za pompą ciepła zbudowaną dla przemysłowych temperatur.
Zintegrowana dwustopniowa pompa ciepła
Instalacja DUOHEAT jest rozwijana jako zintegrowana, dwustopniowa, wysokotemperaturowa pompa ciepła zdolna podnieść temperaturę przemysłowego ciepła odpadowego do użytecznej wartości sięgającej 200 °C. Jej konstrukcja łączy modelowanie termodynamiczne, rozwój zaawansowanych komponentów, testy eksperymentalne i inteligentne sterowanie w jednym skoordynowanym programie badawczym.
Od modelowania obiegu do architektury systemu
Proces rozwoju rozpoczyna się od modelowania matematycznego kilku konfiguracji dwustopniowej pompy ciepła. Rozważane są zarówno obiegi jednoczynnikowe, jak i dwuczynnikowe, obejmujące substancje czyste i mieszaniny pracujące w warunkach podkrytycznych i nadkrytycznych.
Właściwości termodynamiczne czynników roboczych są oceniane przy użyciu bazy danych REFPROP i porównywane z danymi dostępnymi w literaturze naukowej. Celem jest wskazanie takich kombinacji czynników roboczych i parametrów pracy, które pozwalają osiągnąć spiętrzenie temperatury na poziomie około 100 K przy zachowaniu wysokiej sprawności, niskiego wpływu na środowisko i akceptowalnych kosztów inwestycyjnych.
Optymalizacja nie opiera się zatem na pojedynczym wskaźniku wydajności. Zamiast tego uwzględnia jednocześnie kilka kryteriów, w tym:
- współczynnik wydajności i sprawność wewnętrzną,
- wskaźniki środowiskowe,
- koszty inwestycyjne i eksploatacyjne,
- oczekiwaną wydajność komponentów,
- oraz praktyczne ograniczenia zaworów, rurociągów i innego dostępnego komercyjnie wyposażenia.
Wybrana architektura obiegu określi warunki projektowe dla sprężarek i wymienników ciepła. Zapewni również wspólne ramy do integracji wyników uzyskanych przez wszystkie zespoły badawcze zaangażowane w projekt.
Budowa i integracja demonstratora
Po wyborze głównej konfiguracji obiegu system przejdzie od modeli numerycznych do fizycznej konstrukcji. Zewnętrzni wykonawcy wytworzą i zmontują instalację zgodnie z dokumentacją inżynierską przygotowaną w pierwszym etapie projektu.
Gotowy demonstrator przejdzie testy szczelności, kontrole komponentów oraz uporządkowany proces rozruchu. Wydajność poszczególnych komponentów i całego systemu pompy ciepła zostanie następnie porównana z pierwotnymi modelami matematycznymi.
To porównanie jest szczególnie istotne, ponieważ pozwala iteracyjnie doskonalić modele. Dane eksperymentalne posłużą do opisania nie tylko ustalonych punktów pracy, ale również rozruchu, wyłączania, stanów przejściowych i awaryjnych.
Instalacja połączy:
- dwustopniowy obieg termodynamiczny,
- wysokoobrotowe, bezolejowe sprężanie odśrodkowe,
- wysokotemperaturowe wymienniki ciepła,
- napędy elektryczne i elektronikę mocy,
- systemy pomiarowe i sterujące,
- oraz zaawansowane narzędzia diagnostyczne.
Inteligentna praca w zmiennych warunkach
Przemysłowe źródła ciepła rzadko pozostają stałe. Ich temperatura, natężenie przepływu i zapotrzebowanie na ciepło mogą się zmieniać w czasie. Z tego powodu system DUOHEAT będzie testowany w zmiennych warunkach źródła i odbiornika ciepła oraz przy różnych prędkościach obrotowych sprężarek.
Finalna strategia sterowania wykorzysta zwalidowane modele termodynamiczne i komponentowe do automatycznej optymalizacji pracy całej instalacji. Zaplanowano długotrwałe testy obejmujące co najmniej 150 godzin ciągłej pracy, aby ocenić stabilność, niezawodność i wydajność energetyczną systemu.
Pomiary eksperymentalne, symulacje numeryczne i modele sztucznej inteligencji zostaną połączone w jedną bazę wiedzy. Wesprze to monitorowanie w czasie rzeczywistym, wykrywanie usterek, przewidywanie wydajności oraz przyszłą optymalizację systemu.
Przeprowadzona zostanie również analiza cyklu życia. Obejmie ona emisje gazów cieplarnianych, zużycie energii, wykorzystanie surowców i inne oddziaływania na środowisko. Pozwoli to ocenić technologię nie tylko pod kątem sprawności termodynamicznej, ale również z szerszej perspektywy zrównoważonego rozwoju przemysłu.
Łącząc wysokowydajne komponenty z zaawansowanym sterowaniem i diagnostyką, instalacja DUOHEAT ma stać się praktyczną platformą elektryfikacji wysokotemperaturowych procesów przemysłowych.