Katedra Techniki Cieplnej Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki

Kompleksowe badania metody termoelektrycznego dochładzania w połączeniu z najnowocześniejszym cyklem chłodzenia opartym na strumienicy w celu redukcji łańcucha żywnościowego

Numer rejestracyjny:                    20214/43/D/ST8/02631

Numer umowy:                                UMO-20214/43/D/ST8/02631

Kwota umowy:                                 706 990,00 PLN

Instytucja finansująca:               Narodowe Centrum Nauki

Cel projektu

Minimalizacja strat w łańcuchu żywnościowym jest niezbędna do ograniczenia globalnego i lokalnego problemu marnowania żywności. Ten cel projektowy jest szczególnie ważny podczas wycofywania syntetycznych czynników chłodniczych i wprowadzania płynów roboczych o niskim wpływie do wszystkich systemów chłodniczych. Z tego powodu celem SubCoolJet jest zbadanie zachowania przepływu, termodynamiki i efektów wymiany ciepła integracji termoelektrycznego rozwiązania dochłodzenia wraz z cyklem chłodzenia opartym na eżektorach z wykorzystaniem przyjaznych dla środowiska naturalnych płynów roboczych do redukcji łańcucha żywnościowego. Proces przechładzania cieczy czynnika chłodniczego w cyklu sprężania pary przy użyciu modułów termoelektrycznych (TEM), takich jak moduły Peltiera, umożliwia płynną kontrolę wydajności i znaczną poprawę wydajności energetycznej najnowocześniejszych cykli eżektorowych.

Najważniejsze osiągnięcia:

W ramach projektu zrealizowano następujące szczegółowe zadania badawcze i uzyskano następujące najistotniejsze rezultaty:

1. Opracowano numeryczny model do badania procesu termoelektrycznego przechłodzenia dowolnego płynu roboczego, w szczególności dla naturalnych czynników tj. CO2, propan czy mieszaniny. Model numeryczny został oparty na sprzężeniu niezależnych modeli numerycznej mechaniki płynów (CFD) wymienników ciepła z modelem elektrycznym pracy modułu termoelektrycznego. Opracowany model pozwolił na badanie różnych kształtów kanałów przepływowych czynnika, co przyczyniło się do poszerzenia badań o metody wykonawcze oparte na standardowych rozwiązaniach oraz na druku 3D.
2. Zaprojektowano i zbudowano stanowisko do badania termoelektrycznego przechłodzenia cieczy umożliwiające integrację z dowolną instalacją chłodniczą. W oparciu o badania eksperymentalne wykazano korzystny wpływ zastosowania termoelektrycznego przechładzacza cieczy do sterowania wydajnością strumienicy dwufazowej poprzez zmianę parametrów termodynamicznych na wlocie do strumienicy na skutek zasilania modułów termoelektrycznych. W rezultacie, proponowana metoda pozwoliła na zmianę wydajności strumienicy o ponad 10%, a efektywność energetyczna (COP) i wydajność chłodnicza systemu zostały poprawione odpowiednio o ponad 5% i 20%.
3. Zaprojektowano i zbudowano stanowisko instalacji chłodniczej na czynnik CO2 oraz mieszaninę CO2 z węglowodorami do badania wpływu termoelektrycznego przechłodzenia cieczy na pracę układu chłodniczego i pompy ciepła. W oparciu o badania eksperymentalne wykazano poprawę COP o ponad 11% przy zastosowaniu termoelektrycznego przechładzacza cieczy pracującego przy optymalnym napięciu zasilania modułów termoelektrycznych.
4. Projekt dostarczył także sporo cennych danych o możliwości zastosowania metody termoelektrycznego przechładzania cieczy w propanowej pompie ciepła małej skali. W rezultacie wykorzystania metody druku 3-D poprawiono sprawność przechładzacza cieczy, a tym samym COP instalacji pompy ciepła na czynnik R290 o ponad 6% w porównaniu z klasyczną pompą ciepła, umożliwiając dalszy rozwój zastosowania termoelektrycznego przechładzacza cieczy.

Tym samym projekt dostarczył wiele cennych danych koniecznych dla zrozumienia procesów intensyfikacji wymiany ciepła poprzez pracę modułów termoelektrycznych, a także możliwości wykorzystania do sterowania wydajnością strumienicy dwufazowej w układach na CO2, których jak dotąd nie można było znaleźć w dostępnej literaturze. Dane te są powszechnie oczekiwane przez wszystkich badaczy pracujących nad poprawą efektywności energetycznej instalacji chłodniczych i projektowaniem wysokowydajnych wymienników ciepła. W ten sposób, chociaż w nieco dłuższej perspektywie czasowej, raportowany projekt może przyspieszyć postęp w zastosowaniu termoelektrycznego przechładzacza, ale także stymulować rozwój systemów klimatyzacji opartych na naturalnych czynnikach roboczych w zastosowaniach mobilnych i stacjonarnych, pomp ciepła i urządzeń chłodniczych.

Projekt SubCoolJet był realizowany w ramach współpracy z zespołami badawczymi z uczelni University Jaume I (Hiszpania), Public University of Navarra (Hiszpania) oraz University of Udine (Włochy).

Rys.1. Schemat sprzężenia modelu numerycznego (a) oraz przykłady badanych geometrii wymienników ciepła (b).

Rys.2. Pola temperatury w termoelektrycznym przechładzaczu dla dwóch różnych geometrii.

Rys.3. Instalacja chłodnicza strumienicowa na czynnik CO2 (a), integracja stanowiska do badania termoelektrycznego przechładzania cieczy na wlocie do strumienicy dwufazowej (b) oraz schemat (c).

Publikacje naukowe:

1. Aranguren, D. Sánchez, M. Haida, J. Smolka, R. Cabello, A. Rodríguez, D. Astrain, Effect of thermoelectric subcooling on COP and energy consumption of a propane heat pump, Applied Thermal Engineering, 257, 2024. Otwarty dostęp: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2024.124242
2. Pendzialek, T. Özyıldız, R. Fingas, D. Sánchez, P. Aranguren, J. Smolka, M. Haida, Experimental investigation of a R290 domestic heat pump equipped with a thermoelectric-aided sub-cooler, Results in Engineering, 26, 2025, Otwarty dostęp: https://doi.org/10.1016/j.rineng.2025.105237
3. Özyıldız, M. Haida, J. Smolka, D. Sánchez, R. Fingas, E. Sicco, P. Aranguren, Performance mapping of the thermoelectric subcooler devoted to domestic heat pump applications, 348, 2026. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2025.120656

Dane w repozytorium:

1. Patricia Aranguren, Daniel Sánchez García-Vacas, Michal Haida, Jacek Smolka, Ramon Cabello, Antonio Rodriguez, David Astrain, Effect of thermoelectric subcooling on COP and energy consumption of a propane heat pump, Mendeley Data, 2025, DOI: 10.17632/bd8kbwrmtw.1, https://data.mendeley.com/datasets/bd8kbwrmtw/1
2. Michał Pendziałek, Michal Haida, Tufan Özyıldız, Rafal Fingas, Jacek Smolka, Patricia Aranguren, Daniel Sanchez, The experimental data of the propane heat pump equipped with the thermoelectric-aided sub-cooler, Mendeley Data, 2025, DOI: 10.17632/bd8kbwrmtw.1, https://data.mendeley.com/datasets/bd8kbwrmtw/1
3. Tufan Özyıldız, Michal Haida, Jacek Smolka, Daniel Sanchez, Rafal Fingas, Emanuele Sicco, Patricia Aranguren, The experimental data of performance mapping of propane thermoelectric sub-cooler, Mendeley Data, 2025, DOI: 10.17632/9dy7sxyh46.1, https://data.mendeley.com/datasets/9dy7sxyh46/1