Coraz więcej nowych domów wyposażonych jest w pompy ciepła. Systemy te pobierają energię cieplną z otaczającego środowiska – na przykład z ziemi, powietrza lub wody – i zamieniają ją w ciepło dla budynków.

Chociaż dzisiejsze pompy ciepła na ogół działają dobrze i są przyjazne dla środowiska, nadal mają znaczne możliwości poprawy. Na przykład, stosując mikroturbokompresory zamiast konwencjonalnych systemów sprężania, inżynierowie mogą zmniejszyć zapotrzebowanie na moc pomp ciepła o 20-25%, jak również ich wpływ na środowisko. To dlatego, że turbokompresory są bardziej wydajne i dziesięć razy mniejsze niż urządzenia tłokowe. Ale włączenie tych mini komponentów do projektów pomp ciepła nie jest łatwe. Problemy i wyzwania wynikają z ich niewielkich średnic (<20 mm) i szybkich prędkości obrotowych (> 200 000 obr / min).

W laboratorium EPFL w dziedzinie projektowania mechaniki stosowanej, zespół naukowców pod kierownictwem Jürga Schiffmanna opracował metodę, która ułatwia i przyspiesza implementację turbosprężarek do pomp ciepła. Wykorzystując proces uczenia maszynowego zwany regresją symboliczną, naukowcy opracowali proste równania do szybkiego obliczania optymalnych wymiarów turbosprężarki dla danej pompy ciepła. Ich badania właśnie zdobyły nagrodę Best Paper na konferencji Turbo Expo 2019 organizowanej przez American Society of Mechanical Engineers.

1500 razy szybciej

Metoda naukowców drastycznie upraszcza pierwszy krok w projektowaniu turbosprężarek. Ten krok – polegający na przybliżonym obliczeniu idealnej wielkości i prędkości obrotowej dla żądanej pompy ciepła – jest niezwykle ważny, ponieważ dobry wstępny szacunek może znacznie skrócić całkowity czas projektowania. Do tej pory inżynierowie stosowali mapy projektowe do wymiarowania swoich turbosprężarek – ale te wykresy, im mniejszy jest sprzęt i analizowany element, stają się coraz bardziej niedokładne. Co więcej, stosowane obecnie wykresy nie są na bieżąco z najnowszą technologią.

Dlatego dwóch doktorantów EPFL – Violette Mounier i Cyril Picard – pracowało nad stworzeniem alternatywy. Dostarczyli wyniki 500 000 symulacji do algorytmów uczenia maszynowego i wygenerowanych równań, które powielają wykresy.

Takie podejście ma kilka zalet:
– Są niezawodne nawet przy małych rozmiarach turbokompresora;
– Są tak szczegółowe, jak bardziej skomplikowane symulacje;
– Są 1500 razy szybsze.

Metoda naukowców pozwala również inżynierom pominąć niektóre etapy w konwencjonalnych procesach projektowania. To toruje drogę do łatwiejszego wdrożenia i szerszego stosowania mikroturbochargerów w pompach ciepła.

Zalety mikroturbokompresorów

Konwencjonalne pompy ciepła wykorzystują tłoki do sprężania płynu, zwanego czynnikiem chłodniczym i napędzają cykl sprężania pary. Tłoki muszą być dobrze naoliwione, aby działały prawidłowo, ale olej może przykleić się do ścian wymiennika ciepła i osłabić proces wymiany ciepła.

Jednak mikroturbokompresory – o średnicy zaledwie kilkudziesięciu milimetrów – mogą pracować bez oleju; obracają się na łożyskach gazowych przy prędkościach setek tysięcy obrotów na minutę. Ruch obrotowy i warstwy gazu między komponentami oznaczają, że prawie nie ma tarcia. W rezultacie te miniaturowe systemy mogą zwiększyć współczynniki przenikania ciepła przez pompy ciepła o 20-30%.

Ta technologia mikroturbocharger jest rozwijana od kilku lat i jest już dojrzała. „Skontaktowaliśmy się już z kilkoma firmami, które są zainteresowane wykorzystaniem naszej metody” – mówi Schiffmann.

Dzięki pracy naukowców firmy będą mogły szybciej zastosować nowe technologie microturbocharger do swoich pomp ciepła.
Czekamy na efekty prac!

Źródło: sciencedaily.com

Redakcja GLOBEnergia