Китайские ученые разработали CO₂-тепловой насос на водородном топливе с фазовым переходом

Китайские исследователи смоделировали систему отопления, объединяющую топливные элементы с протонообменной мембраной, CO₂-тепловой насос и теплоаккумулятор с фазовым переходом, и оценили влияние различных тепловых граничных условий. Результаты показывают, что температура на входе в катод сильнее всего влияет на эффективность преобразования водорода в тепло и электричество, в то время как теплоаккумулятор с фазовым переходом может удовлетворить смоделированный спрос на горячую воду в бытовых условиях.

сследовательская группа из Китая смоделировала работу системы отопления, сочетающей водородный топливный элемент, тепловой насос на CO₂ и теплоаккумулятор с фазовым переходом. В ходе исследования изучалось, как температура окружающей среды, а также температура на входе анода и катода топливного элемента влияют на потребление водорода, накопление тепла и эффективность системы.

«До сих пор не проводилось систематических исследований по интеграции теплового насоса на CO₂, работающего на топливных элементах с протонообменной мембраной (ТОТЭМ), с баком из материала с фазовым переходом (МФП)», — заявили исследователи. «Кроме того, недостаточно изучено, в какой степени тепловые граничные условия влияют на процесс преобразования водорода в электричество и тепло.»

Смоделированная система состоит из 30 блоков ТОТЭМ, каждый из которых содержит 20 элементов, подающих электричество непосредственно на компрессор теплового насоса на CO₂. Компрессор регулирует скорость вращения в зависимости от мощности топливных элементов и направляет горячий CO₂ в газовый охладитель, где он нагревает воду, циркулирующую в теплоаккумулирующем резервуаре, со скоростью 0,08 кг/с.

Резервуар содержит 100 трубок, заполненных гексадеканом, каждая из которых имеет длину 0,4 м и диаметр 0,05 м. Гексадекан — это фазовый переходное вещество, которое поглощает тепло при температуре плавления 18 °C. После выхода из газового охладителя CO₂ проходит через расширительный клапан, а затем через испаритель, где он извлекает тепло из воздуха или воды при температуре 19 °C. Всасывающий аккумулятор и внутренний теплообменник предотвращают попадание жидкого CO₂ в компрессор, завершая цикл.

Исследователи провели моделирование в MATLAB. Они по отдельности варьировали температуру окружающей среды вокруг топливного элемента, а также температуру на входе в анод и катод в диапазоне от 2 °C до 34 °C, при этом два других параметра оставались неизменными — 25 °C. Температура источников тепла воздуха и воды поддерживалась на уровне 19°C, в то время как вода и PCM в накопительном баке изначально были установлены на уровне 5 °C. Каждое моделирование заканчивалось, когда температура воды на выходе из газоохладителя достигала 30°C.

“Результаты показали, что по сравнению с температурой окружающей среды и температурой на входе в анод температура на входе в катод оказывала более сильное влияние на показатели производительности системы”, - сказали исследователи.

Они также отметили, что при повышении температуры на входе в катод с 2 °C до 34 °C коэффициент преобразования водорода в тепло вырос на 29,4 % — с 28,458 кВт·ч/кг до 36,825 кВт·ч/кг, а коэффициент преобразования водорода в электричество — на 60,97 %, с 8,825 кВт·ч/кг до 14,206 кВт·ч/кг. При этом коэффициент производительности системы (COP) снизился на 19,63 % — с 3,225 до 2,592.

Исследователи подсчитали, что при целевой ежедневной потребности в горячей воде для бытовых нужд в 75 литров и повышении температуры на 40 ° C резервуару PCM потребуется около 3,5 кВт*ч тепловой энергии. “В результате резервуар PCM оказался способным удовлетворить потребность в горячей воде”, - сказали они.

Результаты представлены в исследовании “Влияние граничных тепловых условий на тепловой насос co₂ с водородным приводом и PCM”, опубликованном в Results in Engineering. Ученые из китайского Технологического университета Дунгуань и Университета Сунь Ятсена внесли свой вклад в исследование.

Аккумулятор FIAMM 12FGL100 https://invertory.ru/product/fiamm-12-fgl-100/