Projekt SubCoolJet jest finansowany przez Narodowe Centrum Nauki w ramach konkursu SONATA-17. Projekt ma nr 2021/43/D/ST8/02631 i był realizowany w ramach współpracy z zespołami badawczymi z uczelni University Jaume I (Hiszpania), Public University of Navarra (Hiszpania) oraz University of Udine (Włochy).

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.

Motywacja podjęcia badań:

Powszechna świadomość wpływu globalnego ocieplenia na środowisko i zmianę klimatu zmusza nas do znalezienia nowych skutecznych rozwiązań, które pozwalają ograniczyć negatywny wpływ każdego sektora na środowisko. W tej chwili przepisy dotyczące wycofywania wszystkich czynników chłodniczych na bazie fluorowęglowodorów (FC), chlorofluorowęglowodorów (CFC) i wodorofluorowęglowodorów (HCFC) z rynku, powoduje, że większość wodorofluorowęglowodorów (HFC), powszechnie stosowanych w procesach mrożenia dla ultra-niskiej temperatury, jest trudna do zastosowania oraz wycofana z rynku europejskiego od 2020 r. W związku z tym jedynym bezpiecznym i niezbędnym rozwiązaniem w przemyśle spożywczym i pozwalającym na ograniczenie strat w łańcuchu żywnościowym jest stosowanie naturalnych czynników chłodniczych tj. R744 i węglowodorów jako jednoskładnikowego płynu roboczego lub mieszaniny pomiędzy nimi ze względu na właściwości termodynamiczne, dostępność i brak negatywnego wpływu na środowisko. W celu utrzymania wysokiej wydajności energetycznej systemu (COP) w obszarach o niskiej i wysokiej temperaturze, wymagane jest stosowanie najnowocześniejszych technologii w systemie chłodniczym, co można osiągnąć poprzez integrację technologii strumienicowej z termoelektrycznym przechładzaniem.

Główną ideą jest zintegrowanie termoelektrycznej jednostki przechładzania ze strumienicowym obiegiem chłodniczym przy wykorzystaniu naturalnych czynników chłodniczych, które nigdy nie zostaną wycofane ze względu na negatywny wpływ na środowisko. Głównym celem strumienicy w układzie chłodniczym jest odzyskanie pracy rozprężania, co skutkuje wyższą sprawnością całego układu (nawet o 25%) oraz zmniejszeniem sprężu w sprężarce, co skutkuje niższym całkowitym zużyciem energii. Korzyści z integracji rozwiązania przechłodzenia wraz ze strumienicami dla płynów roboczych pochodzenia naturalnego można zdefiniować w następujący sposób: (a) poprawa wydajności energetycznej układu dla procesów chłodzenia (2°C÷8°C), zamrażania niskotemperaturowego (do -25°C) oraz zamrażania w ultra-niskiej temperaturze (poniżej -25°C); (b) poprawa wydajności energetycznej układu dla procesów grzewczych, m.in. w pompach ciepła i przy suszeniu żywności; (c) sterowanie wydajnością chłodniczą i grzewczą proponowanych układów w celu optymalizacji pracy systemu w małych, średnich i dużych jednostkach chłodniczych; (d) rozszerzenie koperty pracy, zwłaszcza dla procesów niskiego i ultra-niskiego zamrażania; (e) nieograniczone stosowanie naturalnych czynników chłodniczych bez wpływu na efekt globalnego ocieplenia, niszczenia warstwy ozonowej, zdrowie ludzi i zatrucie wód gruntowych.

Opis projektu:

Projekt zostanie wykonany w oparciu o symulacje numeryczne oraz badania eksperymentalne. Plan pracy projektu został podzielony na cztery zadania badawcze:

1. Opracowanie modelu CFD procesu przechładzania cieczy czynnika chlodniczego sprzężonego z jednowymiarowym elektromagnetycznym modelem numerycznym modułów Peltiera,,  
2. Eksperymentalna analiza działania modułu przechładzania cieczy wewnątrz układu chłodniczego opartego na strumienicy CO2 do zamrażania żywności w supermarketach,
3. Eksperymentalne badanie strumienicowej pompy ciepła małej skali opartej na propanie wyposażonej w moduł przechładzania cieczy,  
4. Analiza eksperymentalna układu chłodniczego wyposażonego w strumienicę oraz moduły przechładzania przy użyciu mieszaniny binarnej CO2 i propylenu w celu poprawy wydajności w rozwiązaniach na małą skalę.

Realizacja celów projektowych:

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. Analiza eksperymentalna układu chłodniczego wyposażonego w strumienicę oraz moduły przechładzania przy użyciu mieszaniny binarnej CO2 i propylenu w celu poprawy wyProjekt 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.

Publikacje naukowe:

1. P. 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. M. 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. T. 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   

Link do strony domowej projektu:    Czytaj więcej...