Jak działa pompa ciepła DUOHEAT
Od bezolejowej sprężarki odśrodkowej po analizę cyklu życia gotowego systemu — inżynieria stojąca za pompą ciepła zbudowaną dla przemysłowych temperatur.
Serce systemu
Sercem systemu DUOHEAT jest wysokoobrotowa, bezolejowa sprężarka odśrodkowa zaprojektowana specjalnie do zastosowań w wysokotemperaturowych pompach ciepła. Jej zadaniem jest efektywne podnoszenie ciśnienia czynnika roboczego, co pozwala systemowi podnieść temperaturę przemysłowego ciepła odpadowego do wartości sięgającej 200 °C.
W przeciwieństwie do konwencjonalnych sprężarek, maszyna DUOHEAT jest rozwijana z myślą o wymagających warunkach pracy łączących wysoką prędkość obrotową, podwyższoną temperaturę i szeroki zakres zmian obciążenia. Sprężarka musi zatem zapewniać nie tylko wysoką sprawność, ale również stabilną i niezawodną pracę zarówno w warunkach nominalnych, jak i poza punktem projektowym.
Te fotografie ilustrują rodzaj maszyn wykorzystywanych w badaniach nad maszynami przepływowymi i nie są zdjęciami samej sprężarki DUOHEAT; rzeczywiste zdjęcia sprzętu DUOHEAT zastąpią je, gdy projekt wytworzy własne komponenty.
Od modeli numerycznych do zoptymalizowanej ścieżki przepływu
Proces projektowania rozpoczyna się od obliczeń termodynamicznych i zerowymiarowych, wykorzystywanych do wyznaczenia głównych wymiarów, kątów łopatek i spodziewanego zakresu pracy sprężarki. Już na tym wczesnym etapie uwzględniane są różne źródła strat aerodynamicznych, tak by wstępna konstrukcja była fizycznie realistyczna.
Ścieżka przepływu jest następnie tworzona za pomocą autorskiego modelu parametrycznego opracowanego w Pythonie. Pozwala to na automatyczną modyfikację geometrii wirników, dyfuzorów i kanałów wewnętrznych oraz jej systematyczną ocenę.
Zaawansowane symulacje CFD oparte na uśrednionych równaniach Naviera–Stokesa (RANS) służą do analizy trójwymiarowego przepływu wewnątrz maszyny. W połączeniu z algorytmami optymalizacyjnymi symulacje te pomagają poprawić kształt łopatek, zredukować straty aerodynamiczne i zmaksymalizować sprawność izentropową sprężarki.
Integralność mechaniczna i dynamika wirnika
Projekt aerodynamiczny jest ściśle powiązany z analizą mechaniczną i strukturalną. Wirniki muszą wytrzymać bardzo duże siły odśrodkowe oraz obciążenia termiczne związane z pracą w wysokiej temperaturze.
Z tego powodu dla elementów wirujących przeprowadzane są szczegółowe obliczenia wytrzymałościowe. Cały układ wirujący jest również analizowany pod kątem dynamiki wirnika, aby zweryfikować jego stabilność w szerokim zakresie prędkości obrotowych i uniknąć nadmiernych drgań lub rezonansu.
Szczególnie istotnym elementem koncepcji jest bezolejowy układ łożyskowania. Łożyska mają pracować bez konwencjonalnego obiegu smarowania, wykorzystując w miarę możliwości sam czynnik roboczy. Zmniejsza to ryzyko zanieczyszczenia olejem, upraszcza system i poprawia kompatybilność z pracą wysokotemperaturowej pompy ciepła.
Prototyp i walidacja eksperymentalna
Kolejnym etapem projektu będzie budowa prototypu sprężarki i jego integracja z głównym modułem pompy ciepła. Maszyna będzie testowana stopniowo, począwszy od pracy przy niskim obciążeniu, aż do osiągnięcia nominalnego punktu pracy.
Program eksperymentalny obejmie:
- weryfikację bezolejowego układu łożyskowania,
- testy rozruchu i przyspieszania,
- pomiary w szerokim zakresie prędkości obrotowych,
- testy pracy nominalnej i poza warunkami projektowymi,
- walidację wysokoobrotowego napędu elektrycznego,
- testy wysokoczęstotliwościowego przekształtnika mocy,
- oraz ocenę sprężarki w ramach całego systemu pompy ciepła.
Zmierzone dane zostaną porównane z przewidywaniami numerycznymi. Pozwoli to zwalidować modele obliczeniowe i udoskonalić ścieżkę przepływu w procesie iteracyjnym.
Inteligentne monitorowanie i sterowanie
Sprężarka będzie również częścią zaawansowanego systemu diagnostyki i sterowania. Metody uczenia maszynowego będą wykorzystywane razem z modelami deterministycznymi i stochastycznymi do monitorowania stanu technicznego sprężarki i całej instalacji.
Docelowy system ma nie tylko wykrywać nieprawidłową pracę, ale również wspierać diagnostykę predykcyjną, identyfikować potencjalne problemy na wczesnym etapie i optymalizować wydajność w czasie rzeczywistym.
Łącząc projekt aerodynamiczny, analizę strukturalną, dynamikę wirnika, testy eksperymentalne i inteligentne sterowanie, sprężarka DUOHEAT stanie się jedną z kluczowych technologii umożliwiających efektywne, wysokotemperaturowe przemysłowe pompy ciepła.
Wybór czynnika, który działa — i nie szkodzi środowisku
Dobór czynnika roboczego krążącego w pompie i przenoszącego jej energię jest kluczowym elementem badań. Celem projektu jest czynnik naturalny i organiczny, a nie taki, który mógłby negatywnie oddziaływać na środowisko. Wybór właściwego czynnika oznacza wyważenie jego właściwości termodynamicznych względem bezpieczeństwa i wpływu na środowisko.