Kipozezi cha chini cha termoelektriki (thermoelectric subcooler, TESC) ni sehemu ya pampu ya joto inayotumia uso baridi wa moduli za termoelektriki zinazoendeshwa kwa umeme kupoza zaidi CO₂ kwenye mstari wa shinikizo la juu kabla ya upanuzi, na pia inaweza kurejesha joto linalotolewa kwenye uso wa moto kupitia mzunguko msaidizi unaofaa. Utafiti huu wa majaribio ulichunguza athari za ujumuishaji wa TESC katika pampu ya joto ya CO₂ ya transkritiki ya hatua moja yenye gas cooler na kibadilisha joto cha ndani (internal heat exchanger, IHX), kwa COP ya kupasha joto iliyo bora zaidi, uwezo wa kupasha joto na kupoza, matumizi ya jumla ya nguvu, subcooling na shinikizo bora la gas cooler.

Katika majaribio, halijoto ya kuingia ya mzunguko msaidizi wa glikoli wa evaporator ilichaguliwa kuwa 0°C na 10°C, halijoto ya kuingia ya mzunguko wa maji wa gas cooler ilidumishwa katika 40°C, na tofauti ya halijoto katika mizunguko yote ya maji na glikoli ilidumishwa katika 5 K. Shinikizo bora la gas cooler la mzunguko wa BASE bila TESC lilikuwa takriban 98 bar, huku katika mzunguko wa TESC likibainishwa kuwa takriban 97,1 bar. Kwa kuingia kwa glikoli kwa 0°C, TESC iliongeza COP bora ya kupasha joto kutoka 1,65 hadi 1,84, yaani %11,9; na ikaongeza uwezo wa jumla wa kupasha joto kutoka 3404,2 W hadi 4430,9 W, yaani %30,2. Katika hali ya 10°C, ongezeko la COP lilikuwa %6,5 na ongezeko la uwezo wa kupasha joto lilikuwa %13,4.

TESC pia iliboresha uwezo wa kupoza kwa kuongeza subcooling ya jumla na sehemu ya kioevu kwenye ingizo la evaporator; hata hivyo, kutokana na matumizi ya umeme ya moduli za termoelektriki, matumizi ya jumla ya nguvu ya mfumo pia yaliongezeka. Matokeo yanatumika kwa test-rig maalum ya maabara, jiometri maalum ya TESC, ingizo la maji la 40°C, halijoto mbili za glikoli na kasi ya compressor isiyobadilika. Utafiti haukupima utendaji wa kila mwaka/msimu wa jengo, kipindi cha kurejesha gharama kiuchumi, au uaminifu wa muda mrefu chini ya hali za uwanjani.

Kwa nini pampu ya joto ya CO₂ ya transkritiki ni tofauti?

CO₂ ni kiowevu kazi cha asili kisichowaka na chenye uwezo mdogo wa kuongeza joto duniani. Hata hivyo, kwa kuwa halijoto yake muhimu ni takriban 31,1°C, katika halijoto za juu za kutupa joto kama vile uzalishaji wa maji ya moto, mzunguko hufanya kazi juu ya nukta muhimu kwenye upande wa shinikizo la juu. Kwa hiyo, badala ya condenser inayotumika katika mizunguko ya kawaida ya subkritiki, hutumika gas cooler.

Uendeshaji wa transkritiki, kutokana na shinikizo kubwa na hasara za upanuzi, hufanya nukta bora ya uendeshaji ya mzunguko iwe nyeti hasa kwa shinikizo la gas cooler. Kwa hiyo, katika pampu ya joto ya CO₂, si uchaguzi wa compressor pekee bali pia shinikizo la gas cooler, hali za upanuzi, IHX na kiwango cha subcooling ni vigezo vya msingi vinavyoamua COP ya mfumo.

Pengo la fasihi katika utafiti

Subcooling ya termoelektriki imewahi kufanyiwa utafiti wa kinadharia na wa majaribio katika mifumo ya kupoza ya CO₂ ya transkritiki. Hata hivyo, kulingana na tathmini ya waandishi wa chanzo, hakukuwa na utafiti wa majaribio kuhusu usanidi wa pampu ya joto ya CO₂ ya transkritiki ambapo TESC iliyowekwa baada ya gas cooler hupooza zaidi CO₂ na wakati huo huo kurejesha joto kutoka upande wa moto wa moduli za termoelektriki kwenda kwenye mzunguko wa maji wa gas cooler.

Kwa hiyo, lengo la utafiti huu halikuwa tu kujibu swali “Je, TESC inafanya kazi?” bali kuchunguza kwa majaribio katika kiwango cha mfumo maswali yafuatayo: Shinikizo bora la gas cooler hubadilika vipi? Ni voltage gani ikipelekwa kwenye TESC hufanya COP ya jumla ya pampu ya joto iwe ya juu zaidi? Subcooling ya ziada hubadilishaje uwezo wa kupoza? Joto la upande wa moto wa TESC linaporejeshwa, linachangia kiasi gani kwenye uwezo wa jumla wa kupasha joto? Ni umeme kiasi gani wa ziada hutumika kupata faida hizi?

Kipozezi cha Chini cha Termoelektriki TESC Hufanya Nini Katika Pampu Hii ya Joto?

TESC hupooza zaidi CO₂ ya shinikizo la juu inayotoka kwenye gas cooler kupitia upande baridi wa moduli za termoelektriki; subcooling hii hupunguza ubora wa mvuke wa CO₂ kwenye ingizo la evaporator baada ya upanuzi na hivyo kuongeza uwezo unaoweza kutumika wa kupoza, huku joto linalozalishwa kwenye upande wa moto wa moduli likihamishwa kwenda kwenye mzunguko huohuo wa maji na kurejeshwa kama sehemu ya uwezo wa kupasha joto.

Mzunguko wa majaribio wa pampu ya joto

Mtiririko mkuu wa mzunguko ni kama ifuatavyo:

1. Compressor hubana mvuke wa CO₂ wa shinikizo la chini.
2. Kitenganisha mafuta hutenganisha mafuta ya compressor kutoka kwenye mstari wa utoaji na kuyarejesha kwenye compressor.
3. Gas cooler mbili za sahani zilizounganishwa kwa brazing na zinazofanya kazi sambamba huhamisha joto la CO₂ kwenda kwenye mzunguko msaidizi wa maji.
4. TESC iliyo upande wa chini baada ya gas cooler huipa CO₂ subcooling ya ziada.
5. IHX hupooza zaidi mstari wa shinikizo la juu huku ikipasha kiowevu kwenye mstari wa shinikizo la chini.
6. Back-pressure valve huwezesha udhibiti wa majaribio wa shinikizo la gas cooler.
7. Liquid receiver husaidia mzunguko kufanya kazi kwa utulivu.
8. Electronic expansion valve hupunguza shinikizo la CO₂ na kudhibiti superheat.
9. Kwenye evaporator, CO₂ hupokea joto kutoka kwenye mzunguko msaidizi wa glikoli-maji.
10. Liquid separator hulinda dhidi ya kubebwa kwa kioevu kwenda kwenye compressor.

Vipengele vikuu vya pampu ya joto

TESC rack ilitengenezwa vipi?

TESC rack iliundwa kwa kuunganisha jumla ya vitengo sita vya TESC kwenye mistari mitatu sambamba. Kila kitengo cha TESC ni muundo wa sandwich wenye vibadilisha joto vitatu na moduli nne za termoelektriki.

Katikati kuna kibadilisha joto kikuu cha shaba (Main Heat Exchanger, MHX) ambacho CO₂ hupitia ndani yake. Juu na chini ya MHX kuna moduli za termoelektriki, na kwenye nyuso zao za nje kuna cold plate mbili ambamo maji msaidizi huzunguka.

TESC rack ilihamiwa kwa joto kwa povu la polyethilini. Chanzo kinatoa wastani wa conductivity ya joto ya povu kuwa 0,04 W·m⁻¹·K⁻¹.

Kwa nini moduli ya termoelektriki hufanya kupoza na kupasha joto kwa wakati mmoja?

Umeme wa moja kwa moja unapowekwa kwenye moduli ya termoelektriki, tofauti ya halijoto hutokea kati ya nyuso zake mbili. Katika usanidi wa TESC, uso baridi huvuta joto kutoka kwa CO₂ kupitia MHX. Uso moto wa moduli hupeleka kwenye mzunguko wa maji wa cold plate si tu joto hili lililotolewa kutoka kwa CO₂ bali pia sehemu ya nishati ya umeme inayotumiwa na moduli na kubadilishwa kuwa joto.

Kwa hiyo uwezo wa kupasha joto wa upande moto wa TESC ni mkubwa kuliko uwezo wa kupoza wa upande baridi:

\[ \dot Q_{h}^{TESC}=\dot Q_{c}^{TESC}+\dot W^{TESC} \]

Uwiano huu wa nishati unaeleza faida kuu ya mfumo katika utafiti: matumizi ya umeme ya TESC si “joto lililopotea” kabisa kwa mfumo; upande moto unapounganishwa ipasavyo kwenye mzunguko wa maji, nishati hii pia huongezwa kwenye pato la kupasha joto.

Hali zilizowekwa zisibadilike katika majaribio

• Frequency ya compressor: 50 Hz.
• Kasi ya compressor: 1450 rpm.
• Chaji ya CO₂: 8500 g.
• Superheat inayofaa: 5 K.
• Halijoto ya kuingia ya maji ya gas cooler: 40°C.
• Tofauti ya halijoto ya mzunguko wa maji wa gas cooler: 5 K.
• Tofauti ya halijoto ya mzunguko wa glikoli wa evaporator: 5 K.

Hali za majaribio zilizobadilishwa

Dokezo ndani ya chanzo: Table 4 inatoa masafa ya voltage kuwa 2–8 V DC, huku sehemu ya Conclusions ikiandika 1–8 V DC. Katika makala hii, thamani za 2–8 V DC kwenye jedwali wazi la muundo wa jaribio zimehifadhiwa kama thamani kuu ya mbinu.

Upimaji na ukusanyaji wa data

Kwenye pampu kuu ya joto zilitumika 21 T-tip thermocouple na usahihi wa upimaji halijoto ulitolewa kuwa ±0,5 K. Katika maeneo tofauti ya shinikizo zilitumika sensa za shinikizo zenye masafa ya upimaji ya 160, 100 na 60 bar. Viwango vya mtiririko wa wingi vya CO₂ na glikoli vilipimwa kwa Coriolis flowmeters, mtiririko wa maji kwa magnetic flowmeter, na nguvu ya compressor kwa three-phase network analyzer.

Kwenye TESC rack zilitumika pia 16 T-tip thermocouple, Coriolis water flowmeter moja, njia mbili za upimaji voltage na current transducer tatu.

Kila nukta ya jaribio ilirekodiwa kwa angalau dakika 15 baada ya vigezo vyote kufikia hali thabiti, na muda wa kuchukua sampuli ulikuwa sekunde 5.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Milinganyo ya subcooling

Kiwango cha subcooling cha TESC kimefafanuliwa katika chanzo kwa Mlinganyo (1):

\[ SC^{TESC}=T_{CO_2,in}^{TESC}-T_{CO_2,out}^{TESC} \]

Hapa, tofauti kati ya halijoto za kuingia na kutoka za CO₂ hutoa kiwango cha subcooling ambacho TESC huongeza kwenye mstari wa shinikizo la juu kwa K.

Subcooling ya upande wa shinikizo la juu wa IHX ni Mlinganyo (2):

\[ SC^{IHX}=T_{CO_2,in}^{IHX,HP}-T_{CO_2,out}^{IHX,HP} \]

Subcooling ya jumla katika mzunguko wa TESC inaeleweka kwa kutathmini michango hii miwili kwa pamoja.

Ufanisi wa joto wa IHX

Chanzo kinatoa Mlinganyo (3) kwa alama na mpangilio wa kuingia/kutoka ufuatao:

\[ \varepsilon \approx \frac{ T_{CO_2,in}^{IHX,LP}-T_{CO_2,out}^{IHX,LP} }{ T_{CO_2,in}^{IHX,HP}-T_{CO_2,in}^{IHX,LP} } \times100 \]

Usemi huu unawakilisha kwa asilimia uwiano wa mabadiliko ya halijoto ya upande wenye uwiano mdogo wa heat capacity kwa tofauti ya juu kabisa ya halijoto ya kuingia kati ya mikondo miwili. Muundo wa mlinganyo umehifadhiwa kama ulivyo kwenye chanzo.

Nguvu ya jumla ya umeme

Matumizi ya jumla ya umeme ya pampu ya joto ni jumla ya matumizi ya compressor na TESC:

\[ \dot W_{total}=\dot W^{comp}+\dot W^{TESC} \]

Nguvu ya TESC:

\[ \dot W^{TESC}=I^{TEMs}\cdot U^{TEMs} \]

ilihesabiwa kwa namna hii. Kwa hiyo voltage ya TESC inapoongezeka, ongezeko la uwezo linaweza kupatikana, lakini kwa kuwa matumizi ya umeme pia huongezeka, optimum ya COP ya mfumo si lazima iwe kwenye voltage ya juu zaidi.

Uwezo wa kupasha joto

Uwezo wa jumla wa kupasha joto unaopatikana kutoka kwenye mzunguko msaidizi wa maji:

\[ \dot Q_h=\dot m_{water}\,c_{p,water}\,\Delta T \]

ulihesabiwa kwa mlinganyo huu. Kwa kuwa ΔT upande wa maji imedumishwa kuwa 5 K, mabadiliko ya uwezo wa kupasha joto yanahusiana hasa na mtiririko wa maji na mabadiliko ya specific heat yanayotegemea halijoto.

Joto linalotolewa kutoka kwa CO₂ na TESC:

\[ \dot Q_c^{TESC} = \dot m_{CO_2} \left( h_{in}^{TESC}-h_{out}^{TESC} \right) \]

na uwezo wa jumla wa kupasha joto unaoweza kutumika kwenye upande moto wa TESC:

\[ \dot Q_h^{TESC} = \dot Q_c^{TESC}+\dot W^{TESC} \]

vilitolewa.

Joto linalotolewa kutoka kwa CO₂ katika gas cooler:

\[ \dot Q_c^{GC} = \dot m_{CO_2} \left( h_{in}^{GC}-h_{out}^{GC} \right) \]

na pato la jumla la mfumo la kupasha maji:

\[ \dot Q_h=\dot Q_c^{GC}+\dot Q_h^{TESC} \]

vimeelezwa kwa uhusiano huu.

Uwezo wa kupoza wa evaporator

Uwezo unaohesabiwa kutoka kwenye mzunguko wa glikoli:

\[ \dot Q_c = \dot m_{glycol}\,c_{p,glycol}\,\Delta T \]

na kwa upande wa refrigerant:

\[ \dot Q_c = \dot Q_h^{evap} = \dot m_{CO_2} \left( h_{out}^{evap}-h_{in}^{evap} \right) \]

ulihesabiwa kwa namna hii.

Ufafanuzi wa COP

Heating performance coefficient ya TESC:

\[ COP_h^{TESC} = \frac{\dot Q_h^{TESC}}{\dot W^{TESC}} \]

Cooling performance coefficient ya TESC:

\[ COP_c^{TESC} = \frac{\dot Q_c^{TESC}}{\dot W^{TESC}} \]

na heating COP ya pampu yote ya joto:

\[ COP_h = \frac{\dot Q_h}{\dot W_{total}} \]

zilifafanuliwa hivyo. Mlinganyo huu wa mwisho ndiyo lengo la uboreshaji katika utafiti: si tu uwezo kuwa mkubwa, bali uwiano wa uwezo wa jumla wa kupasha joto uliopatikana kwa matumizi yote ya umeme unapaswa kuwa mkubwa zaidi.

Uthibitishaji wa usawa wa nishati

Chanzo kililinganisha hesabu za uwezo zinazotegemea enthalpy upande wa CO₂ na hesabu za kalorimetri katika mizunguko msaidizi ya maji/glikoli. Katika Figure 3 iliripotiwa kuwa standard deviation ya usawa wa nishati ya nukta zote za majaribio ilibaki chini ya %5. Ukaguzi huu unaunga mkono uthabiti wa mnyororo wa upimaji na hesabu katika kampeni yote ya majaribio.

Hali bora za mzunguko wa BASE

Katika hali zote mbili za glikoli, shinikizo bora la gas cooler lilibaki takriban 98 bar. Kwa ingizo la glikoli la 10°C, shinikizo la evaporation liliongezeka, compression ratio ikapungua, na mass flow rate ya CO₂ ikaongezeka kwa kiasi kikubwa. Kwa kuwa ongezeko la uwezo lilikuwa kubwa kuliko ongezeko la nguvu ya compressor, heating COP ilikuwa juu kuliko katika hali ya 0°C.

Hali bora za mzunguko wa TESC

TESC Iliongeza Heating COP kwa Kiasi Gani?

Katika nukta bora, ujumuishaji wa TESC uliongeza heating COP kutoka 1,65 hadi 1,84, yaani %11,9, katika hali ya ingizo la glikoli la 0°C; na kutoka 2,16 hadi 2,30, yaani %6,5, katika hali ya 10°C; wakati huo huo uwezo wa kupasha joto uliongezeka kwa %30,2 na %13,4 mtawalia.

*Kutokubaliana ndani ya chanzo: Katika sehemu ya Results ongezeko la nguvu ya jumla katika hali ya 10°C limetolewa kuwa %6,5, na thamani za Table 5–6 zinaonyesha kuwa mabadiliko 2194,4 W → 2336,6 W ni takriban %6,5. Hata hivyo, kipengele cha Conclusions kinaandika ongezeko hilo hilo kuwa %13,4. Hapa kauli zote mbili hazijafichwa; thamani ya takriban %6,5 inayotegemea majedwali ya chanzo na sehemu ya Results imeonyeshwa, na tofauti ya Conclusions imebainishwa kando.

Kwa nini uwezo wa kupasha joto uliongezeka zaidi kuliko ongezeko la COP?

Katika hali ya 0°C, TESC iliongeza uwezo wa kupasha joto kwa %30,2, huku pia ikiongeza matumizi ya jumla ya umeme kwa takriban %16,4. COP si uwezo, bali ni uwiano wa pato la kupasha joto kwa ingizo la umeme. Kwa hiyo, ongezeko lote la uwezo halibadiliki kuwa ongezeko la COP; faida halisi ya COP ilikuwa %11,9.

Katika hali ya 10°C, kwa kuwa voltage bora ya TESC ilikuwa 3,8 V pekee, hitaji la nguvu ya ziada lilikuwa dogo zaidi. Wakati huo huo, mchango wa joto wa 556 W kutoka upande moto wa TESC uliongezwa kwenye uwezo wa jumla. Matokeo yake, uwezo na nguvu ya jumla viliongezeka pamoja, na COPh ikaongezeka kutoka 2,16 hadi 2,30.

Subcooling ilibadilishaje ingizo la evaporator?

CO₂ ya shinikizo la juu iliyoingia kwenye expansion valve ikiwa na enthalpy ya chini zaidi iliingia kwenye evaporator baada ya upanuzi ikiwa na ubora wa mvuke wa chini zaidi. Katika chanzo, ubora wa mvuke ulipungua kutoka 0,45 hadi 0,35 katika hali ya glikoli ya 0°C, na kutoka 0,43 hadi 0,37 katika hali ya 10°C.

Mabadiliko haya yaliongeza kiasi cha CO₂ ya kioevu kinachoweza kuvukizwa kwenye evaporator, hivyo uwezo wa kupoza ukaongezeka kutoka 2303,5 W hadi 2707,0 W katika hali ya 0°C, na kutoka 3310,7 W hadi 3535,2 W katika hali ya 10°C.

Kwa nini ufanisi wa IHX ulipungua huku ikifanya subcooling zaidi?

Katika mzunguko wa TESC, subcooling ya IHX iliongezeka kidogo kutoka 4,36 K hadi 4,87 K katika hali ya 0°C na kutoka 3,30 K hadi 3,52 K katika hali ya 10°C. Hata hivyo, ufanisi wa joto ulipungua kutoka %42,7 hadi %38,4 na kutoka %36,1 hadi %34,0 mtawalia.

Chanzo kinahusisha hili na TESC kupunguza halijoto ya CO₂ kwenye ingizo la shinikizo la juu la IHX. Kwa kuwa tofauti ya juu kabisa ya halijoto inayoweza kutumika kati ya upande moto na baridi wa IHX hubadilika, subcooling kamili na ufanisi usio na kipimo si lazima zibadilike katika mwelekeo mmoja.

Je, Voltage ya Juu Zaidi ya TESC Hutoa Daima Ufanisi wa Juu Zaidi wa Mfumo?

Hapana. Ingawa uwezo wa kupasha joto na kupoza wa TESC huongezeka voltage inapoongezeka, matumizi ya umeme pia huongezeka; katika majaribio, COP za kupasha joto na kupoza za TESC yenyewe zilikuwa juu zaidi kwenye voltage ndogo, na COPh bora ya pampu yote ya joto ilipatikana katika 5,7 V kwa hali ya 0°C na 3,8 V kwa hali ya 10°C, badala ya kiwango cha juu kilichojaribiwa cha 8 V.

Utegemezi wa uwezo wa TESC kwa voltage

Katika majaribio yote, uwezo wa kupasha joto wa TESC ulibadilika kutoka takriban 180 W hadi 1500 W kutoka voltage ya chini zaidi hadi ya juu zaidi. Tofauti ya shinikizo mbalimbali za gas cooler kwenye uwezo huu ilibaki kwa wastani karibu 40 W.

Uwezo wa kupoza wa TESC ulibadilika katika takriban 180–800 W, na tofauti ndogo za karibu 50 W zilionekana kati ya shinikizo mbalimbali za gas cooler. Matokeo haya yanaonyesha kuwa kigezo kikuu cha udhibiti wa uwezo wa TESC ni voltage ya usambazaji ya TEM zaidi kuliko shinikizo la gas cooler.

Optimum ya TESC yenyewe si sawa na optimum ya mfumo

Figure 15 inaonyesha kuwa thamani za \(COP_h^{TESC}\) na \(COP_c^{TESC}\) za TESC yenyewe ni juu zaidi kwenye voltage ndogo. Kwa upande mwingine, optimum ya pampu yote ya joto ilitokea kwenye nukta tofauti ambapo mchango wa uwezo wa TESC na matumizi ya umeme vilitathminiwa kwa pamoja.

Tofauti hii ni muhimu kihandisi. COP ya juu zaidi ya sehemu ndogo haimaanishi COP ya juu zaidi ya mfumo mzima. Uboreshaji wa mfumo unahitaji kutathmini kwa pamoja uwezo wa TESC, tabia ya compressor, shinikizo la gas cooler, IHX, nguvu ya jumla na pato la jumla la kupasha joto.

Matokeo yanayoungwa mkono na utafiti

• Ujumuishaji wa TESC iliyopozwa kwa maji baada ya gas cooler uliongeza COP bora ya kupasha joto katika halijoto mbili za glikoli zilizochunguzwa.
• Ongezeko kubwa zaidi lililopimwa la COPh lilikuwa %11,9 katika hali ya 0°C.
• Ongezeko kubwa zaidi la uwezo wa jumla wa kupasha joto lilikuwa %30,2 katika hali ya 0°C.
• TESC iliongeza kwa kiasi kikubwa subcooling ya jumla.
• Subcooling iliyoongezeka ilipunguza ubora wa mvuke wa CO₂ kwenye ingizo la evaporator na kuongeza uwezo wa kupoza.
• Kurejesha joto la upande moto wa TESC kwenda kwenye mzunguko msaidizi wa maji kulichangia moja kwa moja uwezo wa jumla wa kupasha joto.
• Shinikizo bora la gas cooler lilipungua kwa takriban 1 bar kwa TESC.
• Matumizi ya umeme ya TESC yaliongeza nguvu ya jumla ya mfumo; kwa hiyo uboreshaji wa voltage unahitajika.
• COP ya TESC yenyewe si sawa na nukta bora ya COP ya pampu yote ya joto.

Matokeo yasiyoungwa mkono na utafiti

• Haijaonyeshwa kuwa TESC itaongeza COP kwa %11,9 katika pampu zote za joto za CO₂ za transkritiki.
• Matokeo hayawezi kujumlishwa kiotomatiki kwa jiometri tofauti za TESC.
• Shinikizo lilelile bora halijaonyeshwa kwa kasi tofauti za compressor au chaji tofauti za CO₂.
• Ongezeko lilelile la utendaji halijathibitishwa kwa halijoto za kuingia za maji tofauti na 40°C.
• Hakuna matokeo ya majaribio yaliyotolewa kwa halijoto za chanzo tofauti na 0°C na 10°C.
• Seasonal performance factor haikuhesabiwa.
• Hakuna uthibitishaji wa uwanjani uliofanywa katika nyumba halisi, jengo la biashara au mfumo wa district heating.
• Uwezekano wa kiuchumi, gharama za uwekezaji na kipindi cha kurejesha gharama havikutathminiwa.
• Kuzeeka kwa muda mrefu kwa TEM na uaminifu wake kwa miaka mingi havikujaribiwa.

Nguvu za utafiti

Nguvu muhimu ya utafiti ni kwamba athari ya TESC ilipimwa si kwa hesabu ya kinadharia ya mzunguko pekee bali kwenye test-rig halisi ya pampu ya joto ya CO₂. Kulinganisha usanidi wa BASE na TESC kwenye mfumo uleule mkuu wa majaribio kulirahisisha kufuatilia athari ya TESC katika kiwango cha mfumo.

Utafiti haukuripoti COP pekee; uliripoti kwa pamoja shinikizo bora la gas cooler, shinikizo la evaporation, mtiririko wa CO₂, nguvu ya compressor, subcooling, ufanisi wa IHX, ubora wa mvuke kwenye ingizo la evaporator, matumizi ya nguvu ya TESC na COP za kupasha joto/kupoza za TESC yenyewe. Muundo huu wenye vigezo vingi hufanya sababu ya kitermodinamiki ya ongezeko la utendaji iweze kufuatiliwa.

Vikwazo vya mbinu

Majaribio yalifanywa katika halijoto mbili tu za kuingia za glikoli ya evaporator: 0°C na 10°C. Halijoto ya kuingia ya maji ya gas cooler ilidumishwa katika 40°C, kasi ya compressor katika 1450 rpm, chaji ya CO₂ katika 8500 g, na tofauti za halijoto za mizunguko msaidizi katika 5 K. Kwa hiyo, matokeo si ramani pana ya uendeshaji wa mwaka mzima.

Utafiti unachunguza jiometri moja ya TESC rack na moduli maalum za termoelektriki LCC12-8. Idadi tofauti ya TEM, aina ya semiconductor, jiometri ya heat exchanger au thermal contact resistance inaweza kutoa optimum tofauti.

Nukta za majaribio zilipimwa katika hali za steady-state. Tabia ya start-stop, defrost, mizigo ya jengo inayobadilika, mabadiliko ya halijoto ya msimu na profaili halisi za matumizi hazikuchunguzwa.

Chanzo pia kina kutokubaliana mbili za kuripoti: masafa ya voltage ya TESC yaliyotolewa katika Table 4 kuwa 2–8 V yameandikwa katika Conclusions kuwa 1–8 V; ongezeko la nguvu ya jumla katika hali ya 10°C limetolewa katika Results kuwa takriban %6,5 lakini katika kipengele cha Conclusions kuwa %13,4.

Utafiti wa baadaye

Waandishi wa chanzo wanapendekeza uboreshaji zaidi wa jiometri za vipengele ili kuongeza ufanisi wa TESC, na uchunguzi wa majaribio wa mfumo pamoja na usanifu mbadala kama mizunguko ya CO₂ ya transkritiki ya hatua nyingi au inayotegemea ejector.

Kwa tathmini pana zaidi ya matumizi, hali tofauti za chanzo cha joto, halijoto tofauti za maji ya moto, kasi zinazobadilika za compressor, mikakati tofauti ya voltage ya TESC, utendaji wa msimu, uaminifu wa muda mrefu na uchambuzi wa kiuchumi zinahitaji kujaribiwa kando.

Maelezo ya Chanzo na Mbinu

Utafiti asili: An experimental assessment of a CO2 transcritical heat pump aided with a thermoelectric subcooler system

Waandishi: Tufan Özyıldız; Daniel Sánchez; Michal Haida; Jacek Smolka; Patricia Aranguren; Ramón Cabello.

Mwandishi wa mawasiliano: Tufan Özyıldız.

Uhusiano 1: Department of Thermal Technology, Silesian University of Technology, Gliwice, Poland.

Uhusiano 2: Department of Mechanical Engineering and Construction, Jaume I University, Castellón, Spain.

Uhusiano 3: Institute of Smart Cities, Department of Engineering, Public University of Navarre, Pamplona, Spain.

Jukwaa: SSRN.

SSRN Abstract ID: 6903939.

DOI: 10.2139/ssrn.6903939.

Tarehe ya kuwasilishwa SSRN: 9 Juni 2026.

Urefu wa chanzo: kurasa 36.

Hali ya mapitio: Preprint; PDF iliyopakiwa inaeleza wazi kuwa haijapitia peer review.

Version-of-record iliyopitiwa: Katika utafutaji wa sasa wa kichwa kamili, journal version-of-record iliyothibitishwa tofauti haikubainishwa.

Leseni: Katika PDF iliyopakiwa na rekodi ya bibliografia ya SSRN inayopatikana, leseni wazi ya Creative Commons ya matumizi tena haikuthibitishwa; fail-closed inapaswa kutumika kwa matumizi ya picha/maandishi yaliyolindwa.

Aina ya utafiti: Utafiti wa majaribio wa pampu ya joto ya CO₂ ya transkritiki / utendaji wa mfumo wa thermodynamics.

Kiowevu kazi: CO₂.

Ulinganisho mkuu: BASE cycle na TESC cycle.

Usanifu wa pampu ya joto: Mzunguko wa CO₂ wa transkritiki wa hatua moja; gas cooler, TESC, IHX, expansion valve na evaporator.

Compressor: Dorin CD300H; 50 Hz; 1450 rpm; 1,46 m³/h.

Chaji ya CO₂: 8500 g.

Superheat inayofaa: 5 K.

Uchunguzi wa shinikizo la gas cooler: 92–100 bar.

Table 4 uchunguzi wa voltage ya TESC: 2–8 V DC.

Kutokubaliana kwa voltage ndani ya chanzo: Sehemu ya Conclusions inaeleza masafa hayo hayo kuwa 1–8 V DC.

Halijoto za kuingia za glikoli ya evaporator: 0°C na 10°C.

Halijoto ya kuingia ya maji ya gas cooler: 40°C.

ΔT ya mizunguko msaidizi ya maji na glikoli: 5 K.

Hali ya W45: Lengo la kutoka 45°C kwa kudumisha ingizo la maji 40°C na ΔT ya 5 K.

TESC rack: Vitalu 6 vya TESC, mistari 3 sambamba, jumla ya TEM 24.

TEM: Coherent Industries LCC12-8; Bismuth Telluride; 127 thermocouple; 40×40×4 mm.

MHX: Shaba; 60×86×10 mm; eneo la ndani la uhamishaji joto 0,037 m².

Cold plate: Alumini; 40×80×12 mm.

Rekodi ya data: Angalau dakika 15 baada ya hali thabiti; muda wa sampuli sekunde 5.

Uthibitishaji wa usawa wa nishati: Standard deviation chini ya %5 katika nukta za majaribio.

Shinikizo bora la gas cooler la BASE: Takriban 98,1 bar.

Shinikizo bora la gas cooler la TESC: Takriban 97,1 bar.

Voltage bora ya TESC: 5,7 V DC kwa glikoli ya 0°C; 3,8 V DC kwa 10°C.

Uboreshaji mkubwa zaidi wa COPh: %11,9; 1,65 → 1,84; ingizo la glikoli 0°C.

Uboreshaji wa COPh wa 10°C: %6,5; 2,16 → 2,30.

Ongezeko kubwa zaidi la uwezo wa kupasha joto: %30,2; 3404,2 W → 4430,9 W.

Ongezeko la uwezo wa kupasha joto wa 10°C: %13,4; 4740,6 W → 5374,0 W.

Ongezeko la uwezo wa kupoza: %17,5 na %6,8.

Mchango wa joto wa uso-moto wa TESC: 922,5 W na 556,0 W.

Subcooling ya jumla: 11,12 K na 5,91 K katika mzunguko wa TESC.

Ubora wa mvuke kwenye ingizo la evaporator: BASE 0,45 / 0,43; TESC 0,35 / 0,37.

Mabadiliko ya ufanisi wa IHX: %42,7 → %38,4 na %36,1 → %34,0.

Mabadiliko ya nguvu ya jumla: Kwa 0°C 2065,7 W → 2403,7 W, takriban +%16,4. Kwa 10°C 2194,4 W → 2336,6 W, takriban +%6,5; katika sehemu ya Conclusions uwiano wa pili umeandikwa %13,4 na umehifadhiwa kama kutokubaliana ndani ya chanzo.

Ufadhili: National Science Centre of Poland, UMO-2021/43/D/ST8/02631; PID2021-126926OB-C21 na PID2021-126926OB-C22; MCIN/AEI/10.13039/501100011033; ERDF “A way of making Europe”.

Data Availability: Hakuna Data Availability Statement tofauti katika chanzo.

Conflict of Interest: Hakuna tamko tofauti la mgongano wa maslahi katika chanzo; kutokuwepo kwake hakujadhaniwa.

CRediT / Author Contributions: Hakuna sehemu tofauti ya michango ya waandishi katika chanzo.

Kikomo kikuu cha tafsiri: Matokeo yanahusu test-rig maalum ya maabara, jiometri maalum ya TESC na optimum za steady-state katika halijoto mbili za kuingia za glikoli; si matokeo ya utendaji wa kila mwaka/msimu wa uwanjani wala uwezekano wa kiuchumi.