Как сделать тепловые насосы более эффективными?

Исследователи упростили процесс модернизации тепловых насосов с помощью применения микротурбокомпрессоров.

В Швейцарии от 50 до 60 процентов новых домов оснащены тепловыми насосами. Эти системы получают тепловую энергию из окружающей среды - например, из земли, воздуха или близлежащего водоема - и превращают ее в тепло для зданий.

Преимущества микротурбокомпрессоров

В то время как современные тепловые насосы в целом работают хорошо и являются экологически чистыми, они все еще имеют значительные возможности для улучшения. Например, используя микротурбокомпрессоры вместо традиционных систем сжатия, инженеры могут снизить требования к мощности тепловых насосов на 20-25 процентов, а также снизить их влияние на окружающую среду. Турбокомпрессоры более эффективны и в десять раз меньше, чем поршневые устройства. Но включить эти мини-компоненты в конструкции тепловых насосов непросто; осложнения возникают из-за их крошечных диаметров (<20 мм) и высоких скоростей вращения (более 200 000 об / мин).

В Лаборатории прикладного механического проектирования EPFL (Федеральная политехническая школа Лозанны) в кампусе Microcity группа исследователей во главе с Юргом Шиффманном разработала метод, который облегчает и ускоряет внедрение турбокомпрессоров в тепловые насосы. Используя процесс машинного обучения, называемый символьной регрессией, исследователи пришли к простым уравнениям для быстрого расчета оптимальных размеров турбокомпрессора для любого теплового насоса. Их исследования только что получили награду на конференции Turbo Expo 2019, проводимой Американским обществом инженеров-механиков.

Метод исследователей существенно упрощает первый шаг в разработке турбокомпрессоров. Этот этап, который включает приблизительное вычисление идеального размера и скорости вращения, является чрезвычайно важным, поскольку хорошая первоначальная оценка может значительно сократить общее время проектирования. До сих пор инженеры использовали расчетные диаграммы для определения размеров своих турбокомпрессоров, но эти диаграммы становятся все более неточными с уменьшением оборудование. Графики не идут в ногу с новейшими технологиями.

Поэтому Виолетта Муниер и Сирил Пикард разработали альтернативу диаграммам. Они включили результаты 500 000 симуляций в алгоритмы машинного обучения и сгенерировали уравнения, которые копируют диаграммы, но имеют ряд преимуществ: они надежны даже при небольших размерах турбокомпрессора; они так же подробны, как и более сложные симуляции; и они в 1500 раз быстрее. Метод исследователей также позволяет инженерам пропустить некоторые этапы обычных процессов проектирования. Это открывает путь к более простому внедрению и более широкому использованию микротурбокомпрессоров в тепловых насосах.

Обычные тепловые насосы используют поршневые компрессоры для сжатия жидкости, называемой хладагентом, и запускают цикл сжатия пара. Для правильной работы поршни компрессоров должны быть хорошо смазаны, но масло может прилипать к стенкам теплообменника и ухудшать процесс теплопередачи. А микротурбокомпрессоры, диаметр которых составляет всего несколько десятков миллиметров, могут работать без масла; они вращаются на газовых подшипниках со скоростью сотен тысяч оборотов в минуту. Вращательное движение и газовые слои между компонентами означают, что трение практически отсутствует. В результате эти миниатюрные системы могут повысить коэффициенты теплопередачи тепловых насосов на 20-30 процентов.

Эта технология микротурбокомпрессоров была в разработке в течение нескольких лет и в настоящее время является законченной. «С нами уже связались несколько компаний, которые заинтересованы в использовании нашего метода», - говорит Шиффманн. Благодаря работе исследователей компаниям будет легче внедрить технологию микротурбокомпрессоров в свои тепловые насосы. опубликовано econet.ru  

Подписывайтесь на наш канал Яндекс Дзен!

Если у вас возникли вопросы по этой теме, задайте их специалистам и читателям нашего проекта здесь.

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet